DE112005000945T5

DE112005000945T5 - Separator für eine Brennstoffbatterie, Verfahren zum Verbinden des Separators, sowie Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE112005000945T5
Application number: DE112005000945T
Authority: DE
Inventors: Tomokazu Toyota Hayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: JP5038586B2; CA2564885A1; CA2564885C; DE112005000945B4; JP2005317407A; US8703356B2; CN100557870C; CN1950964A; WO2005106998A1; DE112005000945B8; US20070231661A1

Abstract

Separator einer Brennstoffbatterie, die ein Separatorelement einschließt, das mit einem benachbarten Element, das ihm benachbart ist, mit einem Klebstoff in Zellstapelrichtung zusammengefügt werden soll, wobei eine Anfügungsfläche des Separatorelements, das mit dem benachbarten Element zusammengefügt werden soll, mit Führungswegen versehen ist, in die der aufgetragene Klebstoff fließt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für eine Brennstoffbatterie, der für die Anfügung mit einem Klebstoff geeignet ist, ein Verfahren zum Anfügen des Separators und eine Brennstoffbatterie.
Technischer Hintergrund
In einer Brennstoffbatterie besteht eine Brennstoffbatterie-Zelle, die als einzelne Zelle dient, aus einer Membran/Elektroden-Anordnung (MEA), welche eine Elektrolytschicht, wie eine Festpolymermembran, und Diffusionsschichten aus Kohlefasertuch oder Kohlepapier, welche die Elektrolytschicht zwischen sich halten, umfasst, und aus Separatorelementen, die die Membran/Elektrodenanordnung zwischen sich halten, und eine Vielzahl solcher Zellen ist so angeordnet oder gestapelt (zu einem Modul angeordnet), dass eine Brennstoffbatterie gebildet wird. In solch einer einzelnen Brennstoffbatterie-Zelle wird ein Wasserstoffgas als Anodengas zu einer Wasserstoffgas-Strömungskanalnut des Separators auf der negativen Seite geliefert, und Luft (Sauerstoffgas) als Kathodengas wird zu einer Sauerstoffgas-Strömungskanalnut des Separators auf der positiven Seite geliefert. Die zugeführten Wasserstoff- und Sauerstoffgase werden zu einer Diffusionsschicht auf der negativen Seite bzw. einer Diffusionsschicht auf der positiven Seite diffundiert. Das Wasserstoffgas, das die Diffusionsschicht auf der negativen Seite erreicht hat, kommt dann mit einer Katalysatorschicht in Kontakt, die auf die Festpolymerelektrolyt-Membran aufgebracht ist, und wird in geladene Protonen und Elektronen dissoziiert. Die dissoziierten Protonen passieren die Festpolymermembran, wandern zu einer positiven Seite und reagieren mit dem Sauerstoff auf der positiven Seite, um Wasser zu bilden, wodurch Elektrizität entsteht. Allgemein wird eine Vielzahl von einzelnen Zellen mit einem solchen Leistungserzeugungsmechanismus verwendet und über Separatoren gestapelt, so dass die zusammengesetzte Brennstoffbatterie als in Reihe geschaltetes Modul oder Brennstoffzellenstapel aufgebaut ist.
Um die einzelnen Zellen der Brennstoffbatterie zu verbinden, wird ein flüssiger Klebstoff verwendet, und die einzelnen Zellen der Brennstoffbatterie werden mit diesem Klebstoff zusammengefügt. Zuerst wird der flüssige Klebstoff auf die Anfügungsfläche eines Separatorelements aufgetragen. Der aufgetragene Klebstoff wird durch Wärmehärten verfestigt, nachdem die Anfügungsfläche dieses Separatorelements mit einem benachbarten Element bedeckt wurde. Auf diese Weise kann der Separator durch den Klebstoff mit dem benachbarten Element zusammengefügt werden. Dieser flüssige Klebstoff muss auf die Anfügungsfläche (zumindest auf den gesamten Umfangsrand) des Separatorelements aufgebracht werden, denn falls irgendwelche Stellen, selbst kleine Stellen, übrig bleiben, wo kein Klebstoff aufgetragen wurde, kann das Gas, das in die Brennstoffbatterie strömt, an den Stellen, wo kein Klebstoff aufgetragen wurde, austreten, wenn der Separator mit dem benachbarten Element zusammengefügt ist. Um dies zu verhindern, ist es daher nötig, den Klebstoff ausreichend auf das Separatorelement aufzutragen, Das heißt, der Klebstoff fungiert als Dichtungselement.
Der Klebstoff wird vorzugsweise so ausreichend wie möglich auf die Anfügungsfläche (zumindest den gesamten Umfangsrand) des Separatorelements aufzutragen, aber die Auftragung von zuviel Klebstoff kann zu anderen Problemen führen. Das heißt, falls die Dicke des Klebstoffs, der auf die gesamte Anfügungsfläche des Separatorelements aufgetragen wird, nicht gleichmäßig ist und Stellen vorhanden sind, wo die Dicke des aufgetragenen flüssigen Klebstoffs variiert, kann die Oberflächendruckverteilung variieren, wenn das Separatorelement angefügt wird. Beispielsweise schwächt eine solche Variation der Oberflächendruckverteilung die Haftkraft zwischen der MEA und dem Separatorelement durch den Klebstoff oder erhöht den Grad des elektrischen Verlusts (eine Zunahme des Kontaktwiderstands) in der Brennstoffbatterie. Darüber hinaus besteht zwischen dem Separatorelement und der MEA die Möglichkeit, dass die Gas strömungskanäle, die in dem Separatorelement vorgesehen sind, sich verformen, so dass die Gase nicht entlang der dafür vorgesehenen Strömungskanäle strömen.
Es ist ein Verfahren bekannt, das angesichts dieses Problems mit der aufgetragenen Klebstoffmenge und der Oberflächendruckverteilung ein vorderes Ende und ein hinteres Ende kreuzt, wenn der flüssige Klebstoff aufgetragen wird. An diesem Punkt wird in Betracht gezogen, dass das Separatorelement vorzugsweise mit einem breiten Abschnitt in einem Teil, wo das vordere Ende mit dem hinteren Ende zusammengefügt wird, versehen ist.
Jedoch wird in dem Separatorelement, auf das der Klebstoff aufgebracht wird, eine Stelle, wo die Menge des aufgetragenen Klebstoffs groß ist, zuerst zusammengedrückt, und dann werden andere Bereiche mit dem Klebstoff zusammengedrückt, so dass das Separatorelement mit dem benachbarten Element zusammengefügt wird, wenn das Separatorelement mit dem Klebstoff an das benachbarte Element (z.B. die Elektrolytmembran, den Separator, einen Harzrahmen usw.) geklebt wird, das dem Separatorelement in Zellenstapelrichtung gegenüber liegt. Insbesondere in einem Kreuzungsabschnitt des Klebstoffs wird der Klebstoff so aufgetragen, dass er in zwei oder mehr Schichten übereinander angeordnet wird, was leicht zu einem massigen Zustand führt.
An diesem Punkt während des Zusammenbaus breitet sich der zusammengedrückte Klebstoff wegen des Oberflächendrucks, der in einem solchen massigen Kreuzungsbereich höher wird als in anderen Bereichen, über den Rand des Kreuzungsbereichs aus. Abhängig von den Bedingungen, unter denen das Separatorelement mit dem Klebstoff an dem benachbarten Element angefügt wird, können insbesondere die Richtung und der Umfang, in denen der zusammengedrückte Klebstoff sich ausbreitet, variieren.
Ein herkömmliches Separatorelement ist mit einem breiten Abschnitt in Bereichen versehen, wo das vordere Ende das hintere Ende kreuzt. Wenn sich der zusammengedrückte Klebstoff jedoch unverhältnismäßig innerhalb des Raums des breiten Bereichs ausbreitet, je nach den Bedingungen während des Zusammenfügens, läuft der Klebstoff in einigen Fällen aus dem breiten Abschnitt in zufälliger Richtung über.
Ein solcher überlaufender Klebstoff könnte beispielsweise in die Gasströmungskanäle oder einen Kühlfluidströmungskanal des Separators geraten und diesen blockieren, oder die Funktion der MEA beeinträchtigen. Wenn der Klebstoff in ein Verteilerrohr für die Gasströmungskanäle und den Kühlfluidkanal, das im Separatorelement ausgebildet ist, überläuft, beeinträchtigt der Klebstoff außerdem den Strom des Gases oder eines Kühlfluids. Wenn die Möglichkeit besteht, dass der Klebstoff in das Verteilerrohr überfließen kann, kann es außerdem nötig sein, ein zusätzliches Verfahren in das Herstellungsverfahren aufzunehmen, um den übergelaufenen Klebstoff zu entfernen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass eine Breitenabweichung zu Variationen der Auftragungsmenge (des Oberflächendrucks) führt und dass die Dichtwirkung beeinträchtigt ist.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der genannten Probleme durchgeführt und sie schafft einen Separator für eine Brennstoffbatterie mit einer besser geeigneten Klebungsstruktur und eine Brennstoffbatterie, in der dieser Separator verwendet wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Separator für eine Brennstoffbatterie, die ein Separatorelement einschließt, das mit einem Klebstoff mit einem benachbarten Element zusammengefügt wird, das ihm in Zellenstapelrichtung benachbart ist, wobei eine Anfügungsfläche des Separatorelements, das mit dem benachbarten Element zusammengefügt werden soll, mit Führungswegen versehen ist, um den aufgetragenen Klebstoff in einer bestimmten Richtung zu führen.
Wenn der Separator der Brennstoffbatterie, die das Separatorelement einschließt, mit dem Klebstoff in der Zellenstapelrichtung mit dem benachbarten Element zusammengefügt wird, wird der Klebstoff, der aufgetragen wird, wenn das Separatorelement mit dem benachbarten Element zusammengefügt wird, in eine bestimmte Richtung entlang der Anfügungsfläche des Separatorelements geführt, um mit dem benachbarten Element zusammengefügt zu werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brennstoffbatterie-Moduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellen-Separator gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht des Brennstoffzellen-Separators gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Schnittansicht des Brennstoffzellen-Separators gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Schnittansicht des Brennstoffzellen-Separators gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Schnittansicht des Brennstoffzellen-Separators gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine erläuternde Skizze, die zeigt, wie ein Klebstoff auf den Brennstoffzellen-Separator gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebracht wird;
8 ist eine erläuternde Skizze, die ein Klebstoffaufbringungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 ist eine erläuternde Skizze, die ein Klebstoffaufbringungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel dafür, wie die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
[Brennstoffbatterie und Separator der Brennstoffbatterie]
Eine Schnittansicht einer Stapelstruktur einer Brennstoffbatterie 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Die Brennstoffbatterie 100 weist eine gestapelte Struktur auf, in der eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffbatterie-Zellen 40 gestapelt sind (zu einem Modul angeordnet sind). Hierbei weist jede einzelne Brennstoffbatterie-Zelle 40 eine Struktur auf, bei der die MEA 30 zwischen einem ersten Separatorelement 10 und einem zweiten Separatorelement 20 gehalten wird. Das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 entsprechen jeweils einander benachbarten Elementen.
Eine einzelne Brennstoffbatterie-Zelle 40 wird durch Einfügen der MEA 30 zwischen das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 mit einem duroplastischen Klebstoff aufgebaut. Die Brennstoffbatterie-Stapelstruktur 100 wird so erzeugt, dass die so ausgebildeten Brennstoffbatterie-Zellen 40 weiter mit dem Klebstoff 22 zusammengefügt werden und dass die Brennstoffbatterie-Zellen 40 physisch fest verbunden werden, um ein Zellenmodul zu bilden. Die Zellenmodule werden weiter gestapelt, um einen Zellenstapel zu bilden. Anschlüsse, Isolatoren und Endplatten werden an beiden Endend des Zellenstapels in einer Zellenstapelrichtung angeordnet, und der Zellenstapel wird in der Zellenstapelrichtung befestigt und dann wird eine Spannplatte, die in Zellenstapelrichtung verläuft, durch Bolzen und Muttern außerhalb des Zellenstapels befestigt, wodurch ein Brennstoffbatterie-Stapel gebildet wird. Auf diese Weise kann die Brennstoffbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
Eine Draufsicht auf ein zweites Separatorelement 20, das in der Brennstoffbatterie 100 gestapelt werden soll, ist in 2 dargestellt. Das zweite Separatorelement 20 weist konvexe Wände 12 an seinen äußeren Umfangsabschnitten und an dem äußeren Umfangsabschnitt eines Verteilerrohrs 80 auf. Abschnitte, die von den konvexen Wänden 12 umgeben sind, sind Klebstoffauftragungsnuten 14. Ferner bilden sowohl die Oberseiten der konvexen Wände 12 als auch die Klebstoffauftragungsnuten 14, die von den konvexen Wänden 12 umgeben sind, eine Anfügungsfläche.
Für das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 können Kohlenstoff ein Metall, ein Harz, ein leitfähiges Harz oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Kombination aus Metallseparatoren für das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 zu verwenden, oder eine Kombination aus Kohlenstoffseparatoren (Formteilen, die Kohlenstoff und ein Harz zur Bindung des Kohlenstoffs aufweisen) für das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20. In 1 werden die Kohlenstoffseparatoren für sowohl das erste Separatorelement 10 als auch das zweite Separatorelement 20 verwendet.
Ferner kann es sich bei dem benachbarten Element um den Separator und/oder eine Elektrolytmembran und/oder die Membran/Elektroden-Anordnung und/oder einen Harzrahmen handeln.
Darüber hinaus wird die MEA 30 auf solche Weise gebildet, dass eine Festpolymermembran zwischen Diffusionsschichten an beiden Polen gehalten wird. Hierbei kann ein Harz auf Fluorbasis oder dergleichen für die Festpolymermembran verwendet werden, und ein allgemeines Diffusionsschichten bildendes Material wie Kohlefasertuch oder Kohlepapier kann für die Diffusionsschichten verwendet werden.
Das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 weisen eine Vielzahl von Gasströmungskanalnuten 32 auf MEA-Kontaktflächenseiten zum Halten der MEA 30 an Stellen auf, zwischen denen die MEA gehalten wird. Die Gasströmungskanalnut 32 ist eine konkave Nut, und ein Brenngas und eine oxidiertes Gas für die Brennstoffbatterie werden der MEA 30 durch die Gasströmungskanalnuten zugeführt. Der Gasströmungskanal 32 kann ein Serpentinen-Strömungskanal, der von einem Einlass so zu einem Auslass verläuft, dass er sich einmal oder mehrmals wendet, oder ein gerader Strömungskanal, der vom Einlass zum Auslass geradlinig verläuft, sein. Wie in 1 dargestellt, ist in der Brennstoffbatterie-Stapelstruktur 100 das Verteilerrohr 80 mit den Gasströmungskanälen 32 so verbunden, dass es in die Separatoren für den Durchgang order der Gase eines Kühlfluids hineinreicht.
Ein kennzeichnender Punkt der vorliegenden Ausführungsform ist, dass, wie in 2 dargestellt, das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 Klebstoffauftragungsnuten 14 aufweisen, in die Klebstoff aufgetragen wird, und dass die konvexen Wände 12 die Klebstoffauftragungsnuten 14 begrenzen.
Die Klebstoffauftragungsnut 14 ist eine konkave Nut, für die die konvexen Wände 12, die von der Oberfläche des zweiten Separators 20 vorstehen, als Dämme von Seitenflächenwänden dienen, und die Oberfläche des zweiten Separators 20 als Bodenfläche dient. Dieser Aufbau ermöglicht es der Klebstoffauftragungsnut 14, eine Rückhaltefunktion für den Klebstoff auszuüben. Die Klebstoffauftragungsnuten 14 sind sowohl im ersten Separatorelement 10 als auch im zweiten Separatorelement 20 ausgebildet, und das erste Separatorelement 10 und das zweite Separatorelement 20 sind so angeordnet, das die Klebstoffauftragungsnuten 14 einander zugewandt sind, nachdem der Klebstoff in sie aufgebracht wurde. Dann wird das erste Separatorelement 10 mit dem Klebstoff 22, der in den Klebstoffauftragungsnuten 14 zurückgehalten wird, mit dem zweiten Separatorelement 20 zusammengefügt, und die Brennstoffbatterie-Zellen 40 werden zu einem gestapelten Modul gebildet. Im Folgenden wird das zweite Separatorelement 20 anhand eines Beispiels erklärt.
Ferner ist die Klebstoffauftragungsnut 14 in eine Außenumfangs-Klebstoffauftragungsnut 19, die in der Außenumfangsfläche der Anfügungsfläche des zweiten Separatorelements 20 vorgesehen ist, und eine Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18, die an anderen Stellen als an deren Umfangsrand angeordnet ist und am Umfangsrand des Verteilerrohrs 80 und dergleichen des zweiten Separatorelements 20 vorgesehen ist, aufgeteilt.
Die konvexen Wände 12, welche die Klebstoff-Aufbringungsnuten 14 begrenzen, sind Dämme, die an der Oberfläche des zweiten Separatorelements 20 vorstehen. Die konvexen Wände 12 sind so vorgesehen, dass sie den äußersten Umfangsrandabschnitt des zweiten Separatorelements 20 umschließen und so, dass sie den Umfangsrand des Verteilerrohrs umschließen. Die konvexen Wände 12 sind in beiden Separatoren, die zusammengefügt werden sollen, vorgesehen. Wenn ein Zellenmodul gebildet wird, berühren sich die konvexen Wände 12, die an den Anfügungsflächen der beiden Separatoren vorgesehen sind, direkt, so dass die Separatoren gestapelt werden, wie in 1 dargestellt. Die konvexe Wand 12 weist eine Vielzahl von Führungswege 16 auf. Die Führungswege 16 reichen von der Außenseite des zweiten Separators 20 in die Klebstoffauftragungsnuten 14 hinein. Öffnungen sind entlang des Außenumfangsrands der konvexen Wand 12 vorgesehen, damit die Führungswege 16 Öffnungen bilden. Das heißt, weil die konkave Klebstoffaufbringungsnut 14 von der Bodenfläche des zweiten Separators 20 und den konvexen Wänden 12 begrenzt wird, sind in den konvexen Wänden 12 Öffnungen ausgebildet, die als die Führungswege 16 dienen.
Die Führungswege 16 (16a, 16b, 16c und 16d) sind so vorgesehen, dass sie in Richtung auf Klebstoff-Kreuzungspunkte 15 (15a, 15b, 15c und 15d) in den Klebstoffaufbringungsnuten 14 verlaufen. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform auch ein Führungsweg 16e in der normalen Klebstoffaufbringungsnut 14 vorgesehen, wo kein Kreuzungspunkt vorliegt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Führungsweg 16e nicht unbedingt notwendig ist und weggelassen werden kann. Im Folgenden werden ein Ort, wo der Führungsweg 16 vorgesehen ist, und ein Ort, wo der Führungsweg 16 nicht vor gesehen ist, anhand eines Vergleichs ihrer Querschnittsdarstellungen beschrieben. Die Querschnittsstruktur des zweiten Separators 20 ist in den 3 bis 6 offenbart.
3 zeigte einen Querschnitt durch den zweiten Separator 20 mit Klebstoffaufbringungsnuten 14 einschließlich eines Abschnitts des Verteilerrohrs 80 in einer Fläche A-A', die keinen Führungsweg aufweist. In der hier in 3 gezeigten Querschnittsansicht sind von der Außenseite des Separators bis zu einem MEA-Halteabschnitt (von links nach rechts in der Zeichnung) die konvexe Wand 12, die Außenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 19, die konvexe Wand 12, das Verteilerrohr 80, die konvexe Wand 12, eine Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18a und die konvexe Wand 12 ausgebildet.
In 4 ist ein Querschnitt durch den Außenumfangsrandabschnitt des zweiten Separators 20 entlang dessen Fläche B-B' dargestellt. In der in 4 dargestellten Konstruktion sind von der Außenseite des Separators zum MEA-Halteabschnitt (von links nach rechts in der Zeichnung) die konvexe Wand 12, der Führungsweg 16a und die konvexe Wand 12 ausgebildet. Der Führungsweg 16a ist durch Lücken in der konvexen Wand 12 ausgebildet. Die Bodenfläche des Führungswegs 16a ist so konstruiert, dass sie eine Fortsetzung der Bodenfläche der Klebstoffaufbringungsnut 14 ist. Mit einer solchen kontinuierlichen Struktur ist der Führungsweg 16a eine konkave Nut und ist durch die konvexen Wände 12, die als die beiden Seitenflächen dienen, sowie durch die Oberfläche des zweiten Separators 20, der als Bodenfläche dient, begrenzt.
In 5 ist eine Querschnittsstruktur durch den zweiten Separator 20 dargestellt, die den Abschnitt des Verteilerrohrs 80 in einer Fläche C-C', welche den Führungsweg aufweist, einschließt. In der in 5 dargestellten Struktur sind der Führungsweg 16e, die Außenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 19, die konvexe Wand 12, das Verteilerrohr 80, die konvexe Wand 12, die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18a und die konvexe Wand 12 in dieser Reihenfolge von der Außenseite des zweiten Separators zum Halteabschnitt der MEA 30 (von links nach rechts in der Zeichnung) ausgebildet.
In 6 ist ein Querschnitt durch den zweiten Separator 20 entlang einer Fläche D-D' dargestellt. In der hier dargestellten Querschnittsansicht sind von der Außenseite des Separators bis zum MEA-Halteabschnitt (von links nach rechts in der Zeichnung) der Führungsweg 16c, die Außenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 19, die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18a und die konvexe Wand 12 ausgebildet. Hier ist der Führungsweg 16c mit einer konkaven Vertiefung 17 versehen. Diese konkave Vertiefung 17 ist in der Bodenfläche des Führungswegs 16c vorgesehen. Diese konkave Vertiefung 17 dient als Klebstoffreservoir, um den geführten Klebstoff zurückzuhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass der Ort, an dem die konkave Vertiefung vorgesehen ist, nicht auf die Bodenfläche des Führungswegs 16 beschränkt ist, und dass die konkave Vertiefung 17 an einem beliebigen Ort in der Bodenfläche der Klebstoffaufbringungsnut 14 vorgesehen sein kann. Darüber hinaus ist das Klebstoffreservoir nicht auf die konkave Vertiefung 17 beschränkt und kann beliebig konstruiert sein, solange sie den Klebstoff aufnehmen kann. Beispielsweise können verschiedene Formen, wie eine konische Vertiefung oder eine dreieckig-pyramidenförmigen Vertiefung, verwendet werden.
Die konvexen Wände 12 sind vorzugsweise am Umfangsrand des Verteilerrohrs 80 und im Außenumfangsabschnitt des zweiten Separators 20 vorgesehen. Die konvexe Wand 12, die am Umfangsrand des Verteilerrohrs 80 vorgesehen ist, kann verhindern, dass der Klebstoff in das Verteilerrohr 80 gelangt. Die konvexen Wände 12, die im Außenumfangsabschnitt des zweiten Separators 20 vorgesehen sind, können verhindern, dass der Klebstoff von zufälligen Orten im Außenumfangsabschnitt des zweiten Separators 20 überläuft. Das heißt, da der Separator in der vorliegenden Ausführungsform so konstruiert ist, dass der Klebstoff von den Führungswegen 16 so geführt wird, dass er durch bestimmte Ausgänge fließt, ist es möglich, den Nachteil zu vermeiden, dass der Klebstoff an zufälligen Orten überfließt.
Die konvexen Wände 12, die am Umfangsrand des Verteilerrohrs 8 und im Außenumfangsabschnitt des zweiten Separators 20 vorgesehen sind, können eine Modulbildungs-Spannwerkzeugstruktur, die im Verfahren des Zusammenfügens der MEA und des ersten Separators 10 verwendet wird, um eine Einheitszelle zusammen zusetzen, vereinfachen. Dank des Vorhandenseins der konvexen Wände 12 kann beispielsweise ein flaches Spannwerkzeug, welches eine exakte Modulbildung ermöglicht, als Modulbildungs-Spannwerkzeug verwendet werden. Daher können Wirkungen, die von dem Modulbildungswerkzeug in einem Modulbildungsverfahren abhängen (z.B. Wirkungen auf die Variation der Dicke der einzelnen Zellen) eliminiert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Führungsweg als konkave Nut definiert ist, in der die konvexen Wände 12 in der vorliegenden Ausführungsform als Querseitenwände (der Führungsweg 16) dienen, er aber nicht auf die Verwendung der konvexen Wände 12 beschränkt ist. Jede Konstruktion ist möglich, solange der Führungsweg vorgesehen wird, so dass der Klebstoff an einen bestimmten Ort geführt werden kann.
[Verfahren zum Anfügen des Separators]
Nun wird die Aufbringung des Klebstoffs 22 auf den zweiten Separator 20 entlang der Klebstoffaufbringungsnuten 14 beschrieben. 7 zeigt, wie der flüssige Klebstoff in Pfeilrichtung entlang der Klebstoffaufbringungsnuten 14 aufgebracht wird. Hierbei wird eine Abgabeeinrichtung für die Aufbringung verwendet.
8 zeigt die Aufbringung des Klebstoffs 22 mittels der Abgabeaufrichtung. Die (nicht dargestellte) Abgabeaufrichtung weist eine Abgabedüse 24 auf. Die Klebstoffaufbringungsnut 14 als Auftragungsziel wird unmittelbar unter einem Klebstoffeinspritzungsauslass der Abgabedüse 24 angeordnet. Zusammen mit der Bewegung der Abgabedüse 24 über der Klebstoffaufbringungsnut 14 wird der Klebstoff 22 aus der Spitze der Applikatordüse 24 eingespritzt. Auf diese Weise wird der Klebstoff in die Klebstoffaufbringungsnut 14 aufgebracht.
Ein Startpunkt der Abgabedüse 24 wird am Punkt P gesetzt. Die Abgabeeinrichtung bewegt sich entlang der Außenumfangsrand-Klebstoffaufbringungsnut 19 ausgehend vom Punkt P (siehe Pfeile), wodurch der Klebstoff 22 aufgebracht wird. Zuerst wird der Klebstoff 22 so aufgebracht, dass er den Kreuzungspunkt 15a passiert und einen Punkt an einem Eckenabschnitt Q erreicht. Dann wird der Eckabschnitt Q passiert, um den Kreuzungspunkt 15 zu erreichen, und ein Eckabschnittspunkt R wird vom Kreuzungspunkt 15b aus erreicht. Schließlich wird nach Passieren des Eckabschnittpunkts R ein Punkt S erreicht, der den Endpunkt der Klebstoffaufbringungsnut 14 darstellt. Auf diese Weise wird der Klebstoff 22 in die Außenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 19 aufgebracht, die den Außenumfangsabschnitt des Separators 20 umschließt.
Nachdem der Klebstoff 22 in die Außenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 19 aufgebracht wurde, wird der Klebstoff 22 dann in die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18 (18a, 18b) aufgebracht. Das Verfahren zur Aufbringung in die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18a wird beschrieben. Der Klebstoff 22 wird von der Abgabeeinrichtung vom Kreuzungspunkt 15b zum Kreuzungspunkt 15a in die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18a aufgebracht. Hierbei wird die Aufbringung ab dem Kreuzungspunkt 15 auf solche Weise begonnen, dass der Klebstoff 22, der am Kreuzungspunkt aufgetragen ist, überlappt wird, so dass unter der Bedingung, dass der Klebstoff zusammengedrückt und ausgebreitet wird, wenn er an das benachbarte Element geklebt wird, kein Teil vorhanden ist, wo kein Klebstoff 22 aufgebracht ist. Der Eckabschnitt wir passiert, um den Kreuzungspunkt 15a zu erreichen. Am Kreuzungspunkt 15a wird der Klebstoff 22 ebenfalls bis zu der Stelle aufgebracht, wo er den Kreuzungspunkt 15a überschneidet, so dass kein Abschnitt zurückbleibt, wo kein Klebstoff 22 aufgetragen ist.
Nun wird ein Verfahren zur Aufbringung des Klebstoffs 22 in die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18b beschrieben. Dieses ist dem Verfahren zur Aufbringung des Klebstoffs 22 in die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18a ähnlich. Das heißt, die Abgabeeinrichtung wird verwendet, um den Klebstoff 22 vom Kreuzungspunkt 15c zum Kreuzungspunkt 15d in die Innenumfangs-Klebstoffaufbringungsnut 18b aufzutragen. Hierbei wird die Auftragung des Klebstoffs 22 am Kreuzungspunkt 15 solchermaßen begonnen, dass der Klebstoff 22, der bereits am Kreuzungspunkt 15c aufgetragen wurde, überlappt wird, so dass keine Stelle zurückbleibt, wo kein Klebstoff 22 aufgetragen ist. Der Eckabschnitt wird passiert, um den Kreuzungspunkt 15d zu erreichen. Am Kreuzungspunkt 15d wird der Klebstoff 22 auch bis zu der Stelle aufgetragen, wo er den Kreuzungspunkt 15d überlappt, so dass kein Abschnitt zurückbleibt, wo kein Klebstoff 22 aufgetragen ist.
Der flüssige Klebstoff 22 wird entlang der Klebstoffaufbringungsnut 14 aufgebracht. Obwohl im Allgemeinen eine Abgabeeinrichtung für diese Aufbringung verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht so beschränkt, und es können auch andere Aufbringungsverfahren, wie ein Siebdrucken und dergleichen, angewendet werden. Darüber hinaus weist die Klebstoffaufbringungsnut die Kreuzungspunkte 15 auf. An den Kreuzungspunkten 15 wird der flüssige Klebstoff 22 übereinander aufgetragen.
Wenn ein solches Aufbringungsverfahren durchgeführt wird, wird nur eine Lage des Klebstoffs 22 in die Klebstoffaufbringungsnut aufgebracht, abgesehen von den Kreuzungspunkten 15, während der Klebstoff 22 an den Kreuzungspunkten 15 (15a, 15b, 15c und 15d) in zwei Lagen aufgetragen wird (9). In diesem Zustand wird das Separatorelement über eine aufgetragene Klebstofffläche mit dem benachbarten Element zusammengefügt.
Bei diesem Separatorelement-Anfügungsverfahren ist die Menge des Klebstoffs 22, der an den Kreuzungspunkten 15 (15a, 15b, 15c und 15d), wo der Klebstoff 22 doppellagig ist, größer als in den übrigen Abschnitten der Klebstoffauftragungsnut 14 ohne die Kreuzungspunkte 15. In manchen Fällen ist die Menge des Klebstoffs 22 zu groß. Wenn das Separatorelement angefügt wird, ist ein Auffangspeicherabschnitt erforderlich, um den überschüssigen Klebstoff 22 zu entfernen. Ohne den Auffangspeicherabschnitt kann der Klebstoff 22 über die konvexe Wand 12 hinweg und zur Oberfläche auf der konvexen Wand 12 fließen. Ferner kann der Klebstoff 22 die Innenfläche des Verteilerrohrs 80 erreichen.
Im zweiten Separatorelement 20 der vorliegenden Ausführungsform sind die Führungswege 16 (16a, 16b, 16c und 16d) der konvexen Wände 12 so vorgesehen, dass sie in Richtung auf die Kreuzungspunkte 15 (15a, 15b, 15c und 15d) verlaufen, so dass der überschüssige Klebstoff 22 an den Kreuzungspunkten 15 zu den Führungswegen 16 geführt und ausgetrieben wird, wenn das Separatorelement angefügt wird. An diesem Punkt ist es auch bevorzugt, dass durch die Verringerung des Drucks am Umfang eines Anfügungselements des Separatorelements und des benachbarten Elements, besonders in der Nähe der Öffnungen der Führungswege 16, der überschüssige Klebstoff 22 aktiv in die Führungswege 16 gezogen wird.
Wie oben beschrieben, sind die Führungswege 16 der konvexen Wände 12 so vorgesehen, dass sie an die Kreuzungspunkte 15 anschließen, so dass der überschüssige Klebstoff 22 zu den Führungswegen 16 geführt wird, und auch an den Kreuzungspunkten 15 vermieden werden kann, dass die Menge des Klebstoffs 22 zu viel wird, wodurch es möglich ist, eine geeignete Aufbringungsmenge des Klebstoffs 22 zu gewährleisten.
In der vorliegenden Ausführungsform kann der aufgetragene Klebstoff aktiv geführt und bewältigt werden. Da der Führungsweg 16 die Klebstoffaufbringungsnut 14 außerdem mit der Außenseite des Separatorelements verbindet, kann der Klebstoff 22 vom Führungsweg 16 zur Außenseite des Separatorelements geführt werden, so dass der Klebstoff 22 aus den Öffnungen aus dem Separatorelement ausgetrieben werden kann. In einem solchen Fall kann es auch bevorzugt sein, dass der Druck in der Nähe der Öffnungen verringert ist, um den überschüssigen Klebstoff 22 aktiv aus den Öffnungen auszutragen. Somit kann der überschüssige Klebstoff 22 an einen gewünschten Ort geführt werden. Da der Klebstoff 22 von bestimmten Orten, die den Führungswegen 16 entsprechen, ausgetragen wird, muss der Klebstoff 22 nur in der anderen Oberfläche des Separatorelements, die den speziellen Punkten entspricht, entgratet werden. Daher kann ein Entgratungsverfahren vereinfacht werden.
Die Führung des Klebstoffs 22 durch die konvexen Wände 12 und die Führungswege 16 erleichtert die Entfernung des überschüssig aufgetragenen Klebstoffs 22. Somit ist es möglich, zu verhindern, dass der aufgetragene Klebstoff 22 aus den Auftragungs bereichen überfließt, wenn das Separatorelement angefügt wird. Es ist auch möglich, Nachteile dahingehend zu vermeiden, dass der Klebstoff 22, der aus den Auftragungsbereichen überfließt, die MEA erreicht, wo er die Leistungserzeugung der Brennstoffbatterie beeinträchtigt, oder dass der Klebstoff 22 in das Verteilerrohr 80 überläuft. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, ein kompliziertes Entgratungsverfahren im Verteilerrohr 80 durchzuführen.
Ferner ist, wenn das Separatorelement ein Metallseparator ist, eine Antikorrosionsschicht allgemein auf der Innenfläche des Verteilerrohrs vorgesehen. Daher besteht üblicherweise die Gefahr, dass die Antikorrosionsschicht sich löst, falls der Klebstoff, der an der Innenfläche des Verteilerrohrs haftet, entgratet wird, dieser Nachteil kann entsprechend der vorliegenden Erfindung ebenfalls vermieden werden.
Wenn die konkave Vertiefung 17 in der Bodenfläche der Führungswege 16c vorgesehen ist, kann die Vertiefung 17 insbesondere den Klebstoff darin aufnehmen. Somit kann der überschüssige Klebstoff 22 in der Vertiefung 17 aufgenommen werden, wenn das Separatorelement angefügt wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Klebstoff 22 durch die Führungswege 16c zur Außenseite des Separatorelements fließt, wodurch jede Notwendigkeit für ein Entgratungsverfahren an diesen Stellen entfällt.
Wenn der Führungsweg 16e im Separatorelement vorgesehen wird, wird der Ort des Führungswegs 16e vorzugsweise im Hinblick auf die Möglichkeit eines Überlaufens des Klebstoffs 22 gewählt. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass das Separatorelement eine Verformung bewirkt und dass der verformte Teil sich wölbt, so dass der Klebstoff 22 während des Zusammenfügungsverfahrens überläuft. Angesichts dieser Möglichkeit ist es wünschenswert, die Führungswege 16 in Teilen, wo es leichter zu einer Verformung kommt, anzuordnen. Zu einer Verformung kommt es insbesondere dann leicht, wenn das Separatorelement ein Metallseparator ist, und die Bereitstellung des Führungswegs 16 ist daher in den Teilen, wo es leicht zu einer Verformung kommt, wirksam.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Ort, wo der Klebstoff 22 geführt wird, der Führungsweg 16 und/oder die konkave Vertiefung 17 sein kann. Ob eines oder beide dieser Merkmale in dem Separatorelement vorgesehen werden, kann angesichts der Ausgewogenheit von Herstellungsfreundlichkeit usw. entschieden werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann allgemein auf einen Separator einer Brennstoffbatterie vom Festpolymertyp, vom Phosphorsäuretyp, vom Carbonatschmelzetyp, vom Festoxidtyp oder dergleichen angewendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Separatorelement, das mit einem benachbarten Element, das ihm benachbart ist, mit einem Klebstoff in Zellenstapelrichtung zusammengefügt werden soll, sind Führungswege vorgesehen, um den Klebstoff der auf eine Anfügungsfläche des Separatorelements, das mit dem benachbarten Element zusammengefügt werden soll, aufgebracht wird, in einer bestimmten Richtung zu führen. Somit wird überschüssiger Klebstoff zu dem Führungsweg geführt und damit zusammenhängende Nachteile während der Zusammenfügung können eliminiert werden.

Claims

Separator einer Brennstoffbatterie, die ein Separatorelement einschließt, das mit einem benachbarten Element, das ihm benachbart ist, mit einem Klebstoff in Zellstapelrichtung zusammengefügt werden soll, wobei eine Anfügungsfläche des Separatorelements, das mit dem benachbarten Element zusammengefügt werden soll, mit Führungswegen versehen ist, in die der aufgetragene Klebstoff fließt.
Separator der Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, wobei die Anfügungsfläche Klebstoff-Kreuzungspunkte aufweist, wo die Aufbringungswege des Klebstoffs sich kreuzen, wenn der Klebstoff aufgebracht wird, so dass der Klebstoff in zwei oder mehr Lagen übereinander angeordnet wird.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Führungsweg eine konkave Nut umfasst, die durch konvexe Wände, die von der Oberfläche des Separatorelements vorstehen, als Seitenflächenwände, und durch die Oberfläche des Separatorelements als Bodenfläche begrenzt wird.
Separator der Brennstoffbatterie nach Anspruch 3, wobei die Führungswege durch Öffnungen erzeugt werden, die in Bereichen der konvexen Wand ausgebildet sind.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anfügungsfläche ein Klebstoffreservoir aufweist, das so konstruiert ist, dass es den Klebstoff, der in die Führungswege geflossen ist, zurückhält.
Separator der Brennstoffbatterie nach Anspruch 5, wobei das Klebstoffreservoir eine konkave Vertiefung ist.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Führungswege so konstruiert sind, dass sie den Klebstoff aus dem Separator austragen.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Klebstoff ein duroplastischer Klebstoff ist.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die konvexe Wand am Umfangsrand des Verteilerrohrs und/oder am Umfangsrand des Separators vorgesehen ist.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 9, wobei die konvexe Wand den Kontakt mit einem Zusammenfügungsspannwerkzeug, das verwendet wird, um das Separatorelement mit dem benachbarten Element zusammenzufügen, erleichtert.
Separator der Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Separatorelement und das benachbarte Element Metallseparatoren sind.
Verfahren zum Zusammenfügen eines Separators einer Brennstoffbatterie, die ein Separatorelement einschließt, mit einem benachbarten Element in einer Zellenstapelrichtung mittels eines Klebstoffs, wobei das Verfahren umfasst: Führen des aufgetragenen Klebstoffs entlang einer Anfügungsfläche des Separatorelements, das mit dem benachbarten Element zusammengefügt werden soll, wenn das Separatorelement mit dem benachbarten Element zusammengefügt wird, in einer Richtung, die von den Führungswegen festgelegt wird, die in der Anfügungsfläche vorgesehen sind.
Zusammenfügungsverfahren nach Anspruch 12, wobei Auftragungswege des Klebstoffs sich an Klebstoff-Kreuzungspunkten kreuzen, wenn der Klebstoff auf die Anfügungsfläche aufgebracht wird, und der Klebstoff so aufgebracht wird, dass er in zwei oder mehr Schichten an den Klebstoff-Kreuzungspunkten übereinander aufgebracht wird.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Klebstoff zu dem Führungsweg, der von einer konkaven Nut definiert wird, geführt wird, wobei die konkave Nut durch konvexe Wände, die von der Oberfläche des Separatorelements vorstehen, als Seitenwände und von der Oberfläche des Separatorelements als Bodenwand begrenzt wird.
Zusammenfügungsverfahren nach Anspruch 14, wobei der Klebstoff zu Öffnungen geführt wird, die in Teilen der konvexen Wände ausgebildet sind.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Klebstoff zu einem Klebstoffreservoir geführt wird, das in der Anfügungsfläche vorgesehen ist.
Zusammenfügungsverfahren nach Anspruch 16, wobei das Klebstoffreservoir eine konkave Vertiefung ist.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Klebstoff aus dem Separatorelement ausgetragen wird.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der Klebstoff ein duroplastischer Klebstoff ist.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die konvexe Wand am Umfangsrand des Verteilerrohrs und/oder am Umfangsrand des Separatorelements vorgesehen ist.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 20, wobei die konvexe Wand den Kontakt mit einem Zusammenfügungsspannwerkzeug, das verwendet wird, um das Separatorelement mit dem benachbarten Element zusammenzufügen, erleichtert.
Zusammenfügungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei das Separatorelement und das benachbarte Element Metallseparatoren sind.
Brennstoffbatterie, die einen Separator einer Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 einschließt.