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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Separator und eine Brennstoffzelle,
die den Separator aufweist.
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2. Beschreibung der einschlägig
verwandten Technik
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Brennstoffzellen,
die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen
Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, werden als Energiequellen zunehmend
interessanter. Eine Brennstoffzelle weist eine Stapelstruktur auf,
in der Membran/Elektroden-Anordnungen, die jeweils eine Anode (Wasserstoffelektrode)
bzw. eine Kathode (Sauerstoffelektrode) zu beiden Seiten einer protonenleitfähigen
Elektrolytmembran aufweisen, und Separatoren abwechselnd übereinander
gelegt sind (die Brennstoffzelle mit dieser Stapelstruktur wird
nachstehend auch als „Brennstoffzellenstapel" bezeichnet).
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JP-A 2004-6104 beschreibt
einen Separator mit einer Brenngasplatte, die einer Anode zugewandt ist
(im Folgenden als „anodenzugewandte Platte" bezeichnet),
einer Oxidationsgasplatte, die einer Kathode zugewandt ist (im Folgenden
als „kathodenzugewandte Platte" bezeichnet) und einer Zwischenplatte, die
zwischen diesen Platten angeordnet ist. Im Separator weist jede
Gasplatte eine Durchgangsbohrung und eine Gasverbindungsöffnung
auf, und die Zwischenplatte weist einen Zufuhrkanal auf, um ein Brenngas
oder ein Oxidationsgas von der Gasverbindungsöffnung zur
Durchgangsbohrung jeder Gasplatte zu liefern.
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Eine
Last bzw. Kraft wird in Stapelrichtung der Stapelstruktur an den
Brennstoffzellenstapel angelegt, um eine Verschlechterung der Zellenleistung aufgrund
eines zu nehmenden Kontaktwiderstands an irgendeiner Stelle in der
Stapelstruktur zu verhindern und um ein Austreten von Gas zu verhindern.
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In
dem in
JP-A-2004-6104 beschriebenen Separator
verläuft jedoch der Zufuhrkanal in Dickenrichtung durch
die Zwischenplatte, und somit ist die Steifigkeit gegenüber
den Kräften, die in Bezug auf die Oberfläche des
Separators vertikal, d. h. in Stapelrichtung der Stapelstruktur
angelegt werden, in einem Bereich der Zwischenplatte, wo der Gaszufuhrkanal
ausgebildet ist, relativ gering.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung erhöht die Steifigkeit gegenüber
Kräften, die vertikal an die Oberfläche eines
Separators angelegt werden, der in einem Brennstoffzellenstapel
mit einer anodenzugewandten Platte, einer kathodenzugewandten Platte
und einer Zwischenplatte verwendet wird.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung schafft einen Separator zur Verwendung
in einer Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, in der eine Vielzahl
von Membran/Elektroden-Anordnungen mit zwischen ihnen angeordneten
Separatoren gestapelt sind. Jede Membran/Elektroden-Anordnung weist
eine Elektrolytmembran und Elektroden, die zu beiden Seiten der Elektrolytmembran
angeordnet sind, auf. Der Separator weist auf: zwei elektrodenzugewandte
Platten, die den jeweiligen Elektroden der Membran/Elektroden-Anordnung
zugewandt sind, und eine Zwischenplatte, die zwischen den beiden
elektrodenzugewandten Platten angeordnet ist. Die beiden elektrodenzugewandten
Platten und die Zwischenplatte weisen jeweils eine erste Durchgangsbohrung
auf, die es ermöglicht, dass ein Reaktionsgas, das der Membran/Elektroden-Anordnung
zugeführt werden soll, oder ein Abgas, das aus der Membran/Elektroden-Anordnung
ausgeführt wird, in Stapelrichtung der Stapelstruktur strömt.
Die ersten Durchgangsbohrungen der beiden elektrodenzugewandten
Platten und der Zwischenplatte überschneiden einander, wenn
sie in Stapelrichtung betrachtet werden. Eine der beiden elektrodenzugewandten
Platten und die Zwischenplatte weisen jeweils eine zweite Durchgangsbohrung
auf, die die Zuführung eines Reaktionsgases, das zugeführt
werden soll, und/oder die Ausführung eines Abgases, das
ausgeführt werden soll, vertikal in Bezug auf die Membran/Elektroden-Anordnung
ermöglicht. Die zweiten Durchgangsbohrungen der einen der
beiden elektrodenzugewandten Platten und der Zwischenplatte überschneiden
einander in Stapelrichtung. Die Zwischenplatte weist einen Verbindungskanal
auf, der eine Verbindung zwischen der ersten Durchgangsbohrung und der
zweiten Durchgangsbohrung in der Zwischenplatte ermöglicht.
Die Abmessung des Verbindungskanals in Dickenrichtung der Platte
ist kleiner ist als die Dicke der Zwischenplatte.
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Im
ersten Aspekt der Erfindung weist die Zwischenplatte eine zweite
Durchgangsbohrung und einen Verbindungskanal anstelle des Gaszufuhrkanals in
der Zwischenplatte auf, die in der oben genannten
JP-A-2004-6104 beschrieben
wird. Die Abmessung des Verbindungskanals in Dickenrichtung der
Zwischenplatte ist kleiner als die Dicke der Zwischenplatte, und
der Verbindungskanal verläuft nicht in Dickenrichtung durch
die Zwischenplatte. Somit kann die Steifigkeit gegenüber
Kräften, die vertikal an die Oberfläche des Separators
angelegt werden, im Vergleich zu dem Fall, wo ein Gaszufuhrkanal
in Dickenrichtung durch die Zwischenplatte verläuft, erhöht werden.
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Der
Verbindungskanal kann eine Durchgangsbohrung sein, die senkrecht
zur Stapelrichtung der Stapelstruktur durch das Innere der Zwischenplatte
verläuft.
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Auf
diese Weise kann der Durchmesser des Verbindungskanals größtmöglich
sein, ohne dass der Verbindungskanal in Dickenrichtung durch die
Zwischenplatte verläuft.
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Im
oben beschriebenen Separator können die beiden elektrodenzugewandten
Platten und die Zwischenplatte anhand eines Verbindungsmittels miteinander
verbunden sein.
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In
dem oben beschriebenen Separator der
JP-A-2004-6104 , in dem
die Zwischenplatte einen Gaszufuhrkanal aufweist, der in Dickenrichtung durch
die Zwischenplatte verläuft, wird, wenn eine anodenzugewandte
Platte, eine kathodenzugewandte Platte und eine Zwischenplatte unter
Verwendung eines Verbindungsmittels, wie eines Lötmaterials oder
eines Klebstoffs, miteinander verbunden werden, das Verbindungsmittel
in den Gaszufuhrkanal gedrückt. Dadurch wird die Querschnittsfläche
des Gaszufuhrkanals verringert und eine angestrebte Gasströmungsrate
kann nicht erreicht werden. Im ersten Aspekt der Erfindung verläuft
jedoch ein Gaszufuhrkanal nicht in Dickenrichtung durch die Zwischenplatte;
somit wird das Verbindungsmittel nicht in den Gaszufuhrkanal gedrückt.
Infolgedessen wird die Querschnittsfläche des Verbindungskanals
nicht verringert und eine angestrebte Gasströmungsrate kann
erreicht werden.
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In
dem oben beschriebenen Separator kann die Zwischenplatte aus Harz
bestehen, und bei dem Verbindungsmittel kann es sich um einen Klebstoff handeln.
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Im
ersten Aspekt der Erfindung besteht die Zwischenplatte aus Harz.
Somit kann das Gewicht des Separators im Vergleich zu dem Fall,
dass die Zwischenplatte aus Metall besteht, verringert sein. Ein
weiterer Vorteil der Verwendung eines Harzelements ist, dass ein
Harzelement leichter zu bearbeiten ist als ein Metallelement.
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Alternativ
dazu können die beiden elektrodenzugewandten Platten und
die Zwischenplatte aus Metall bestehen, und bei dem Verbindungsmittel kann
es sich um ein Lötmaterial handeln.
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Auf
diese Weise kann die Festigkeit der Brennstoffzelle im Vergleich
zu dem Fall, dass die Zwischenplatte aus Harz besteht und es sich
bei dem Verbindungsmittel um einen Klebstoff handelt, verbessert
sein.
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Zusätzlich
zu der oben beschriebenen Gestaltung eines Separators kann die vorliegende
Erfindung als Brennstoffzellenstapel mit dem Separator implementiert
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die begleitende Zeichnung deutlich, in der gleiche
Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen,
und in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht des allgemeinen Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2A, 2B, 2C und 2D Planansichten
von Komponenten eines Separators 41 sind;
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3 eine
Planansicht des Separators 41 ist;
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4A und 4B erläuternde
Ansichten einer MEGA-Dichtung 46 sind;
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5A und 5B erläuternde
Ansichten einer Querschnittsstruktur eines Brennstoffzellenmoduls 40 sind;
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6A, 6B, 6C und 6D Planansichten
von Komponenten eines Separators 41A als Vergleichsbeispiel
sind;
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7A und 7B erläuternde
Ansichten der Querschnittsstruktur eines Brennstoffzellenmoduls 40A als
Vergleichsbeispiel sind; und
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8 eine
erläuternde Ansicht ist, die eine weitere Wirkung der Ausführungsform
darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100 in
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Der Brennstoffzellenstapel 100 weist eine Stapelstruktur
auf, in der eine Vielzahl von Zellen zur Erzeugung von Elektrizität
durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
mit zwischen ihnen angeordneten Separatoren übereinander
gestapelt sind. Jede Zelle weist eine Anode, eine Kathode und eine
zwischen diesen angeordnete protonenleitfähige Elektrolytmembran auf,
wie weiter unten beschrieben wird. In dieser Ausführungsform
werden Polymerelektrolytmembranen als Elektrolytmembranen verwendet.
Anstelle der Polymerelektrolytmembranen können andere Elektrolyte,
wie ein festes Oxid und dergleichen, verwendet werden. In dieser
Ausführungsform weist der Separator außerdem eine
Dreischichtstruktur auf, wie später beschrieben, und ist
mit einem Kanal für Wasserstoff als Brenngas, das der Anode
zugeführt werden soll, einem Kanal für Luft als
Oxidationsgas, das der Kathode zugeführt werden soll, und
einem Kanal für ein Kühlmittel versehen. Eine
geeignete Anzahl von Brennstoffzellen können gemäß der
für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Ausgangsleistung
des Brennstoffzellenstapels 100 gestapelt werden.
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In
dem Brennstoffzellenstapel 100 sind eine Endplatte 10,
eine Isolierplatte 20, eine Stromsammelplatte 30,
eine Vielzahl von Brennstoffzellenmodulen 40, eine Stromsammelplatte 50,
eine Isolierplatte 60 und eine Endplatte 70 in
dieser Reihenfolge von einem Ende zum anderen gestapelt. Diese Elemente
weisen Zufuhröffnungen, Ausfuhröffnungen und Kanäle
(die alle nicht dargestellt sind) auf, die es Wasserstoff als Brenngas,
Luft als Oxidationsgas und Kühlmittel ermöglichen,
durch den Brennstoffzellenstapel 100 zu strömen.
Der Wasserstoff wird aus einem Wasserstofftank (nicht dargestellt)
zugeführt. Die Luft und das Kühlmittel werden
verdichtet und durch Pumpen (nicht dargestellt) zugeführt.
Jedes Brennstoffzellenmodul 40 ist aus einem Separator 41 und
einer MEGA-Dichtung 46 zusammengesetzt, in der eine Membran/Elektroden-Anordnung
und eine Dichtung vereinigt sind, wie später beschrieben.
Das Brennstoffzellenmodul 40 wird später beschrieben. Der
Ausdruck „MEGA", wie hierin verwendet, ist eine Abkürzung
für „Membran/Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anord nung"
und bezeichnet eine Membran/Elektroden-Anordnung, bei der es sich
um eine Elektrolytmembran mit einer auf beiden Oberflächen ausgebildeten
Katalysatorschicht bzw. Gasdiffusionsschicht handelt.
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Der
Brennstoffzellenstapel 100 weist auch Spannplatten 80 auf,
wie in der Zeichnung gezeigt. Eine Druckkraft wird in Stapelrichtung
der Stapelstruktur an den Brennstoffzellenstapel 100 angelegt, um
eine Verschlechterung der Zellenleistung aufgrund eines zunehmenden
Kontaktwiderstands an irgendeiner Stelle in der Stapelstruktur zu
verhindern und um ein Austreten von Gas zu verhindern. Durch Fixieren
der Spannplatten 80 an den Endplatten 10 und 70 an
beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 100 mit Bolzen 82 wird
jedes Brennstoffzellenmodul 40 mit einer vorgegeben Anziehziehkraft
in Stapelrichtung gespannt bzw. zusammengezogen.
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Die
Endplatten 10 und 70 und die Spannplatten 80 bestehen
aus einem Metall, wie Stahl, um die Steifigkeit zu gewährleisten.
Die Isolierplatten 20 und 60 bestehen aus Isoliermaterial,
wie Gummi oder Harz. Die Stromsammelplatten 30 und 50 bestehen aus
einem gasundurchlässigen leitfähigen Material wie
verdichtetem Kohlenstoff oder Kupfer. Jede der Stromsammelplatten 30 und 50 weist
einen Ausgangspol (nicht dargestellt) auf, so dass die elektrische
Leistung, die im Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt wird,
aus ihm ausgegeben werden kann.
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Wie
bereits beschrieben, weist jedes Brennstoffzellenmodul 40 einen
Separator 41 und eine MEGA-Dichtung 46 auf. Der
Separator 41 und die MEGA-Dichtung 46 werden nachstehend
beschrieben.
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2A bis 2D sind
Planansichten von Komponenten des Separators 41. Wie in
der Zeichnung dargestellt, ist der Separator 41 aus einer
kathodenzugewandten Platte 42, einer anodenzugewandten
Platte 44, einer Zwischenplatte 45 und einem einen
Kühlmittelkanal bildenden Element 43 aufgebaut.
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In
dieser Ausführungsform sind die kathodenzugewandte Platte 42 und
die anodenzugewandte Platte 44 flach und weisen die gleiche
viereckige Außenform auf. Diese flachen Platten bestehen
aus Edelstahl. Das den Kühlmittelkanal bildende Element 43 besteht
ebenfalls aus Edelstahl. Die kathodenzugewandte Platte 42,
die anodenzugewandte Platte 44 und das den Kühlmittelkanal
bildende Element 43 können aus anderen Metallen,
wie Titan oder Aluminium, anstelle von Edelstahl bestehen. Da diese
Elemente dem Kühlmittel ausgesetzt sind, wie später
beschrieben, können auch antikorrosive Metalle verwendet
werden.
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Die
Zwischenplatte 45 weist die gleiche Außenform
auf wie die kathodenzugewandte Platte 42 und die anodenzugewandte
Platte 44. Die Zwischenplatte 45 besteht aus Harz.
Geeignete Harze, die verwendet werden können, um die Zwischenplatte 45 zu fertigen,
schließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein,
Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyurethan und Polyethylenterephthalat
ein. Da der Separator 41 einen geringen elektrischen Widerstand
aufweisen muss, kann leitendes Harz für die Zwischenplatte 45 verwendet
werden.
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2A ist
eine Planansicht der kathodenzugewandten Platte 42, welche
die kathodenseitige Oberfläche der MEGA-Dichtung 46,
die später beschrieben wird, berührt. Wie in der
Zeichnung dargestellt, weist die kathodenzugewandte Platte 42 eine Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 422a,
eine Vielzahl von Luft-Zufuhröffnungen 422i, eine
Vielzahl von Luft-Ausfuhröffnungen 422o, eine
Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 422b, eine Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 424a,
eine Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 424b, eine Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 426a und
eine Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 426b auf.
In dieser Ausführungsform sind die Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 422a,
die Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 422b, die Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 424a,
die Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 424b, die Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 426a und
die Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 426b allgemein
rechtwinklig, und die Luftzufuhröffnungen 422i und
die Luftausfuhröffnungen 422o sind kreisförmig
und haben den gleichen Durchmesser.
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2B ist
eine Planansicht der anodenzugewandten Platte 44, welche
die anodenseitige Oberfläche der MEGA-Dichtung 46 berührt,
was später beschrieben wird. Wie in der Zeichnung dargestellt,
weist die anodenzugewandte Platte 44 eine Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 442a,
eine Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 442b, eine Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 444a,
eine Vielzahl von Wasserstoff-Zufuhröffnungen 444i,
eine Vielzahl von Wasserstoff-Ausfuhröffnungen 444o,
eine Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 444b, eine Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a und
eine Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 446b auf.
In dieser Ausführungsform sind die Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 442a,
die Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 442b, die Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 444a,
die Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 444b, die Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a und
die Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 446b im
Allgemeinen rechtwinklig, und die Wasserstoff-Zufuhröffnungen 444i und
die Wasserstoff-Ausfuhröffnungen 444o sind kreisförmig
und weisen den gleichen Durchmesser auf.
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2C ist
eine erläuternde Ansicht der Zwischenplatte 45.
Die Zeichnung zeigt eine Planansicht, eine Seitenansicht und eine
Querschnittsansicht der Zwischenplatte 45 entlang der Linie
I-I von 2C. Die Struktur der Zwischenplatte 45 ist
das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung, und es wird
nachstehend in Gegenüberstellung eines Vergleichsbeispiels
näher beschrieben.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, weist die Zwischenplatte 45 eine
Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a, eine Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b,
eine Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a und eine
Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b auf. Außerdem
weist die Zwischenplatte 45 eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452c1, eine
Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452d1, eine Vielzahl von
Durchgangsbohrungen 452e1 und eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452f1 in
der Nähe der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a,
der Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b, der Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a bzw.
der Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b auf. Diese Durchgangsbohrungen
sind kreisförmig und haben den gleichen Durchmesser.
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Die
Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452c1 stehen jeweils mit
der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a über eine
Vielzahl von Kommunikationskanälen 452c2, die innerhalb
der Zwischenplatte 45 ausgebildet sind, in Verbindung.
Die Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452d1 stehen jeweils
mit der Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b über
eine Vielzahl von Verbindungskanälen 452d2, die
innerhalb der Zwischenplatte 45 ausgebildet sind, in Verbindung.
Die Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452e1 stehen jeweils
mit der Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a über
eine Vielzahl von Verbindungskanälen 452e2, die
innerhalb der Zwischenplatte 45 ausgebildet sind, in Verbindung. Die
Vielzahl von Durchgangsbohrungen 452f1 stehen jeweils mit
der Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b über
eine Vielzahl von Verbindungskanälen 452f2, die
innerhalb der Zwischenplatte 45 ausgebildet sind, in Verbindung.
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Die
Zwischenplatte 45 weist auch einen Kühlmittel-Strömungsabschnitt 456 auf,
der es dem Kühlmittel ermöglicht, durch die Zwischenplatte 45 im Separator 41 zu
strömen. Die Querlänge des Kühlmittel-Strömungsabschnitts 456 in
der Zeichnung ist der Länge W3 von der Außenseite
der Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a zur
Außenseite der Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 446b,
die in 2B dargestellt ist, gleich,
und die vertikale Länge ist der Länge W2 oder
der vertikalen Länge der Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a und
der Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 44b, die
in 2B dargestellt ist, gleich.
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2D zeigt
eine Planansicht und eine Seitenansicht des den Kühlmittelkanal
bildenden Elements 43. Eine Planansicht und eine Seitenansicht des
den Kühlmittelkanal bildenden Elements 43 sind auf
der linken Seite bzw. der rechten Seite von 2D dargestellt.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, weist das den Kühlmittelkanal
bildende Element 43 rechtwinklige Vorsprünge und
Eintiefungen auf, die abwechselnd im Querschnitt angeordnet sind.
Die Querlänge des den Kühlmittelkanal bildenden
Elements 43 in der Zeichnung ist der Länge W1
von der Innenseite der Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a zur Innenseite
der Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 446b,
die in 2B dargestellt ist, gleich,
und die vertikale Länge ist der vertikalen Länge
W2 der Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a und
der Kühlmittelausfuhr-Durch gangsbohrung 446b gleich. Die
Höhe des den Kühlmittelkanal bildenden Elements 43 ist
etwa der Dicke t der Zwischenplatte 45 gleich. Im Herstellungsprozess
des Separators 42 wird das den Kühlmittelkanal
bildende Element 43 in einem Bereich zwischen der Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 426a und
der Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 426b der
kathodenzugewandten Platte 42 und in einem Bereich zwischen
der Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 446a und
der Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 446b der
anodenzugewandten Platte 44 angeordnet.
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3 ist
eine Planansicht des Separators 41. Der Separator 41 wird
durch Anordnen des den Kühlmittelkanal bildenden Elements 43 in
der Mitte des Kühlmittel-Strömungsabschnitts 456 der
Zwischenplatte 45 und anschließendes Verbinden
der kathodenzugewandten Platte 42, der anodenzugewandten
Platte 44 und der Zwischenplatte mit einem Klebstoff gebildet.
Hier ist der Separator 41 von der anodenzugewandten Platte 44 aus
dargestellt.
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Wie
aus der Zeichnung hervorgeht, sind die Luftzufuhr-Durchgangsbohrungen 442a, 542a und 422a positionsgleich
durch die anodenzugewandte Platte 44, die Zwischenplatte 45 und
die kathodenzugewandte Platte 42 hindurch ausgebildet.
Die Luftausfuhr-Durchgangsbohrungen 442b, 452b und 422b sind
positionsgleich ausgebildet. Die Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrungen 444a, 454a und 424a sind
positionsgleich ausgebildet. Die Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrungen 444b, 454b und 424b sind
positionsgleich ausgebildet. Diese Durchgangsbohrungen fungieren
als erste Durchgangsbohrung der Erfindung.
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Die
Wasserstoff-Zufuhröffnungen 444i und die Durchgangsbohrungen 452e1 sind
positionsgleich durch die anodenzugewandte Platte 44 und die
Zwischenplatte 45 hindurch ausgebildet. Die Wasserstoff-Ausfuhröffnungen 444o und
die Durchgangsbohrungen 452f1 sind positionsgleich ausgebildet.
Die Luft-Zufuhröffnungen 422i und die Durchgangsbohrungen 452c1 sind
positionsgleich durch die kathodenzugewandte Platte 42 und
die Zwischenplatte 45 hindurch ausgebildet. Die Luft-Ausfuhröffnungen 422o und
die Durchgangsbohrungen 452d1 sind positionsgleich ausgebildet.
Diese Durchgangsbohrungen fungieren als zweite Durchgangsbohrungen
der Erfindung.
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Die
Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrungen 446a und 426a sind
positionsgleich durch die anodenzugewandte Platte 44 und
die kathodenzugewandte Platte 42 hindurch ausgebildet.
Die Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrungen 446b und 426b sind
positionsgleich ausgebildet.
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4A und 4B sind
erläuternde Ansichten der MEGA-Dichtung 46. 4A ist
eine Planansicht der MEGA-Dichtung 46, gesehen von der
Kathode aus. 4B ist eine Querschnittsdarstellung entlang
der Linie I-I von 4A.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, weist die MEGA-Dichtung 46 einen
MEGA-Abschnitt 461 und einen Rahmen 460 auf, der
den MEGA-Abschnitt 461 umgibt und stützt. Obwohl
in dieser Ausführungsform Silikongummi für den
Rahmen 460 verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung
nicht darauf beschränkt. Andere Materialien, die Gasundurchlässigkeit,
Elastizität und Wärmebeständigkeit aufweisen,
können ebenfalls verwendet werden.
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Der
MEGA-Abschnitt 461 ist eine Membran/Elektroden-Anordnung,
in der eine Kathodendiffusionsschicht 49c auf eine Kathodenkatalysatorschicht 48c und über
einer Oberfläche (kathodenseitige Oberfläche)
einer Elektrolytmembran 47 gestapelt ist, und eine Anodendiffusionsschicht 49a auf eine
Anodenkatalysatorschicht 48a und über der anderen
Oberfläche (anodenseitigen Oberfläche) der Elektrolytmembran 47 gestapelt
ist, wie in 4B dargestellt. In dieser Ausführungsform
werden poröse Kohlenstoffkörper als Anodendiffusionsschicht 49a und
Kathodendiffusionsschicht 49c verwendet. In dieser Ausführungsform
sind außerdem poröse Metallschichten 49,
die als Gasdurchlassschichten dienen, um das Strömen von
Wasserstoff und Luft zu ermöglichen, wenn die MEGA-Dichtung 46 auf
den Separator 41 gelegt ist, zu beiden Seiten des MEGA-Abschnitts 461 vorgesehen.
Mit dieser Gestaltung können die Gase effizient über
die gesamten Oberflächen der Anode und der Kathode diffundiert zugeführt
werden. Für die Gasdurchlassschichten können andere
Materialien, die elektrisch leitfähig sind und die Gas
diffundieren können, wie Kohlenstoff, anstelle der porösen
Metallkörper verwendet werden.
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Der
Rahmen 460 weist eine Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 462a,
eine Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 462b, eine Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 464a,
eine Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 464b, eine Kühlmittelzufuhr-Durchgangsbohrung 466a und
eine Kühlmittelausfuhr-Durchgangsbohrung 466b auf,
wie im Falle des in 4A dargestellten Separators.
Dichtabschnitte 468 sind integral um die Durchgangsbohrungen
und den MEGA-Abschnitt 461 herum vorgesehen, um Dichtungslinien
SL zu bilden, die von dünnen Linien in 4A dargestellt
werden. Das heißt, der Rahmen 460 dient als Dichtung,
die ein Austreten von Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel
verhindert. Der Rahmen 460 wird beispielsweise durch Spritzgießen
gebildet.
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5A und 5B sind
erläuternde Ansichten der Querschnittsstruktur des Brennstoffzellenmoduls 40. 5A ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von 3,
und 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie
II-II von 3.
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In
der MEGA-Dichtung 46 berührt die poröse Metallschicht 49 auf
der Anodenseite des MEGA-Abschnitts 461 die anodenzugewandte
Platte 44 des Separators 41, wenn die MEGA-Dichtung 46 und
der Separator 41 übereinander gestapelt sind.
Ebenso berührt die poröse Metallschicht 49 auf
der Kathodenseite des MEGA-Abschnitts 461 die kathodenzugewandte
Platte 42 des Separators 41, wenn die MEGA-Dichtung 46 und
der Separator 41 übereinander gestapelt sind.
Die Dichtabschnitte 468 berühren die kathodenzugewandte
Platte 42 und die anodenzugewandte Platte 44,
um die in 4A dargestellten Dichtlinien
zu bilden.
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Wie
von den Pfeilen in 5A dargestellt, wird in dem
Brennstoffzellenmodul 40 Luft, die von der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 442a der
anodenzugewandten Platte 44 aus zugeführt wird,
in der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a der Zwischenplatte 45 verzweigt
und strömt durch den Verbindungskanal 452c2 und
die Durchgangsbohrung 452c1, um von der Luft-Zufuhröffnung 422i der
kathodenzugewandten Platte 42 aus vertikal in Bezug auf
die Oberfläche des MEGA-Abschnitts 461 zugeführt
zu werden. Die Luft strömt dann in der porösen Metallschicht 49 auf
der Kathodenseite und in der Kathodendiffusionsschicht 49c und
wird, wie in 5B dargestellt, von der Luft-Ausfuhröffnung 422o der
kathodenzugewandten Platte 42 aus vertikal in Bezug auf
die Oberfläche des MEGA-Abschnitts 461 ausgeführt,
strömt durch die Durchgangsbohrung 452d1, den
Verbindungskanal 452d2 und die Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452b der
Zwischenplatte 45 und wird von der Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 442b der
anodenzugewandten Platte 44 aus ausgeführt.
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Hier
wurde nur die Strömung der Luft, die der Kathode des MEGA-Abschnitts 461 zugeführt
werden soll, beschrieben. Der Wasserstoff, der zur Anode geführt
werden soll, strömt auf die gleiche Weise.
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Nun
werden der Separator 41A und ein Brennstoffzellenmodul 40A als
Vergleichsbeispiel beschrieben, um die Wirkung der oben beschriebenen
Ausführungsform zu verdeutlichen. Abgesehen vom Separator 41A ist
der Aufbau des Brennstoffzellenstapels im Vergleichsbeispiel dem
des Brennstoffzellenstapels 100 der Ausführungsform
gleich.
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6A bis 6D sind
Planansichten von Komponenten des Separators 41A als Vergleichsbeispiel.
Der Separator 41A ist aus Komponenten zusammengesetzt,
die übereinander gestapelt sind, wie im Falle des Separators 41.
Der Separator 41A ist aus einer kathodenzugewandten Platte 42,
einer anodenzugewandten Platte 44, einer Zwischenplatte 45A und
einem einen Kühlmittelkanal bildenden Element 43 zusammengesetzt.
Die kathodenzugewandte Platte 42, die anodenzugewandte
Platte 44 und das einen Kühlmittelkanal bildende
Element 43 sind die gleichen wie im Separator 41 der
oben beschriebenen Ausführungsform. Die Zwischenplatte 45A unterscheidet
sich in Teilen vom Separator 41 der oben beschriebenen
Ausführungsform. Somit werden nachstehend die kathodenzugewandte
Platte 42, die anodenzugewandte Platte 44 und
das einen Kühlmittelkanal bildende Element 43 nicht
beschrieben und es wird nur die Zwischenplatte 45A beschrieben.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, weist die Zwischenplatte 45A eine
Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a, eine Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b,
eine Wasser stoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a und eine
Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b auf, wie im Fall
der Zwischenplatte 45 in der oben beschriebenen Ausführungsform.
Die Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a weist anstelle der Durchgangsbohrungen 452c1 und
der Verbindungskanäle 452c2 der oben beschriebenen
Ausführungsform eine Vielzahl von einen Luft-Zufuhrkanal
bildenden Abschnitten 452c auf, die es jeweils ermöglichen,
dass Luft von der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a zu
der Vielzahl von Luft-Ausfuhröffnungen 422a der
kathodenzugewandten Platte 42 strömt. Die Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b weist
anstelle der Durchgangsbohrungen 452d1 und der Verbindungskanäle 452d2 der
oben beschriebenen Ausführungsform eine Vielzahl von einen
Luft-Ausfuhrkanal bildenden Abschnitten 452d auf, die es
ermöglichen, dass Luft von der Vielzahl von Luftausfuhröffnungen 422o der
kathodenzugewandten Platte 42 aus zu der Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b strömt.
Die Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a weist anstelle
der Durchgangsbohrungen 452e1 und der Verbindungskanäle 452e2 der
oben beschriebenen Ausführungsform eine Vielzahl von einen
Wasserstoff-Zufuhrkanal bildenden Abschnitten 452e auf, die
es ermöglichen, dass Wasserstoff von der Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a aus
zu der Vielzahl von Wasserstoff-Zufuhröffnungen 444i der anodenzugewandten
Platte 44 strömt. Die Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b weist
anstelle der Durchgangsbohrungen 452f1 und der Verbindungskanäle 452f2 der
oben beschriebenen Ausführungsform eine Vielzahl von einen
Wasserstoff-Ausfuhrkanal bildenden Abschnitten 452f auf,
die es ermöglichen, dass Wasserstoff von der Vielzahl von Wasserstoff-Ausfuhröffnungen 444o der
anodenzugewandten Platte 44 aus zu der Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b strömt.
Die einen Luft-Zufuhrkanal bildenden Abschnitte 452c, die
einen Luft-Ausfuhrkanal bildenden Abschnitte 452d, die
einen Wasserstoff-Zufuhrkanal bildenden Abschnitte 452e und
die einen Wasserstoff-Ausfuhrkanal bildenden Abschnitte 452f verlaufen
in Dickenrichtung durch die Zwischenplatte 45A.
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7A und 7B sind
erläuternde Darstellungen der Querschnittsstruktur des
Brennstoffzellenmoduls 40A als Vergleichsbeispiel. 7A entspricht 5A,
bei der es sich um eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I
von 3 handelt, und 7B entspricht 5B,
bei der es sich um eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 3 handelt.
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Die
MEGA-Dichtung 46 ist derjenigen der oben beschriebenen
Ausführungsform gleich.
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Wie
von Pfeilen in 7A dargestellt, wird in dem
Brennstoffzellenmodul 40A Luft, die von der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 442a der
anodenzugewandten Platte 44 aus zugeführt wird,
in der Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a der Zwischenplatte 44 verzweigt
und strömt durch den einen Luft-Zufuhrkanal bildenden Abschnitt 452c,
um von der Luft-Zufuhröffnung 422i der kathodenzugewandten
Platte 42 aus vertikal in Bezug auf die Oberfläche
des MEGA-Abschnitts 461 zugeführt zu werden. Die
Luft strömt dann in der porösen Metallschicht 49 auf
der Kathodenseite und in der Kathodendiffusionsschicht 49c und
wird, wie in 7B dargestellt, von der Luftausfuhröffnung 422o der
kathodenzugewandten Platte 42 aus vertikal in Bezug auf
die Oberfläche des MEGA-Abschnitts 461 ausgeführt,
strömt durch den einen Luft-Ausfuhrkanal bildenden Abschnitt 452d und
die Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b der Zwischenplatte 45 und
wird von der Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 442b der anodenzugewandten
Platte 44 aus ausgeführt. Hier wurde nur die Strömung
der Luft, die der Kathode des MEGA-Abschnitts 461 zugeführt
werden soll, beschrieben. Der Wasserstoff, der der Anode zugeführt
werden soll, strömt auf die gleiche Weise.
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In
der Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel, die oben
beschrieben wurden, wurde besonderes Augenmerk auf die Bereiche
in der Ellipse der durchbrochenen Linie in 5A und 7A gelegt.
Der Separator 41 oder der Separator 41A und die
MEGA-Dichtung 46 werden übereinander gestapelt
und es wird eine vorgegebene Last bzw. Kraft in Stapelrichtung an
sie angelegt. Dann wird in der oben beschriebenen Ausführungsform,
weil in der Zwischenplatte 45 Verbindungskanäle 452c2 ausgebildet
sind, die Last, die von den Dichtabschnitten 468 in Stapelrichtung
an den Separator 41 angelegt wird, von der anodenzugewandten
Platte 44 und der Zwischenplatte 45 getragen,
wie in 5A dargestellt. Dagegen wird
in dem Vergleichsbeispiel, weil in der Zwischenplatte 45A einen
Luftzufuhrkanal bildende Abschnitte 42c, die in Dickenrichtung
durch die Zwischenplatte 45A verlaufen, ausgebildet sind,
die Last, die von den Dichtabschnitten 468 der MEGA-Dichtung 46 in
Stapelrichtung an den Separator 41A angelegt wird, nur
von der anodenzugewandten Platte 44 und nicht von der Zwischenplatte 45A getragen,
wie in 7A dargestellt. Somit ist beim
Separator 41 der oben beschriebenen Ausführungsform die
Steifigkeit gegenüber Lasten bzw. Kräften, die vertikal
an die Oberfläche des Separators angelegt werden, im Vergleich
zum Separator 41A des Vergleichsbeispiels erhöht.
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8 veranschaulicht
eine weitere Wirkung der oben beschriebenen Ausführungsform.
Der obere Teil von 8 ist eine Querschnittsansicht
eines Teils der kathodenzugewandten Platte 42, der Zwischenplatte 45A und
der anodenzugewandten Platte 44 des Vergleichsbeispiels.
Der untere Teil von 8 ist eine Querschnittsansicht
des Separators 41A, der durch Verbinden der kathodenzugewandten
Platte 42, der Zwischenplatte 45A und der anodenzugewandten
Platte 44 mittels eines Klebstoffs 450 gebildet
wird.
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Wenn
der Klebstoff 450 auf beide Oberflächen der Zwischenplatte 45A aufgetragen
wird und die kathodenzugewandte Platte 42 und die anodenzugewandte
Platte 44 mit der Zwischenplatte verbunden werden, wie
im oberen Teil von 8 dargestellt, kann der Klebstoff 450 in
die einen Wasserstoff-Zufuhrkanal bildenden Abschnitte 452e,
die in Dickenrichtung durch die Zwischenplatte 45A verlaufen,
gedrückt werden, wie im unteren Teil von 8 dargestellt.
Dadurch werden die Querschnittsflächen der Kanäle
verringert, und eine angestrebte Gasströmungsrate wird
möglicherweise nicht erreicht. In der Zwischenplatte 45 der
oben beschriebenen Ausführungsform sind im Gegensatz dazu
Verbindungskanäle 452e2 ausgebildet, die nicht
in Dickenrichtung durch die Zwischenplatte 45 verlaufen,
wie aus der Querschnittsansicht der Zwischenplatte 45,
die in 2C usw. dargestellt ist, hervorgeht.
Somit wird der Klebstoff 450 nicht in die Verbindungskanäle 452e2 gedrückt,
wenn die kathodenzugewandte Platte 42, die anodenzugewandte
Platte 42 und die Zwischenplatte 45 anhand des
Klebstoffs 450 miteinander verbunden werden. Somit werden
die Querschnittsflächen der Verbindungskanäle 452e2 nicht durch
den Klebstoff 450 verringert und die angestrebte Gasströmungsrate
kann erreicht werden.
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Obwohl
oben eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben
wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene
Ausführungsform beschränkt, und es können
verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden, ohne von ihrem
Gegenstand abzuweichen. Beispielsweise können die folgenden
Modifikationen vorgenommen werden.
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Obwohl
in der oben beschriebenen Ausführungsform ein Harzelement
als Zwischenplatte 45 verwendet und unter Verwendung des
Klebstoffs 450 mit der kathodenzugewandten Platte 42 und
der anodenzugewandten Platte 44 verbunden wird, ist die vorliegende
Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann
eine Metallelement als Zwischenplatte 45 verwendet und
unter Verwendung eines Lötmaterials mit der kathodenzugewandten
Platte 42 und der anodenzugewandten Platte 44 verbunden werden.
Jedoch verringert eine Harzzwischenplatte 45 das Gewicht
des Separators 41 und des Brennstoffzellenstapels 100.
Ein weiterer Vorteil eines Harzelements ist, dass es sich im Vergleich
zu einem Metallelement leichter bearbeiten lässt
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Obwohl
die Luftzufuhr-Durchgangsbohrung 452a, die Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b,
die Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a und die Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b der Zwischenplatte 45 in
der oben beschriebenen Ausführungsform mit den Durchgangsbohrungen 452c1, 452d1, 452e1 und 452f1 bzw.
den Verbindungskanälen 452c2, 452d2, 452e2 und 452f2 versehen
sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die
verschiedenen oben im Vergleichsbeispiel beschriebenen einen Kanal
bildenden Abschnitte können für einen Teil der
Luftausfuhr-Durchgangsbohrung 452b, der Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung 454a und
der Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung 454b vorgesehen
werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf
die beschriebenen Ausführungsformen oder Bauweisen beschränkt
ist. Die Erfindung soll vielmehr verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen abdecken. Außerdem sind zwar die verschiedenen
Elemente der Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen
und Gestaltungen dargestellt, aber andere Kombinationen und Gestaltungen,
ein schließlich von mehr, weniger oder nur einem einzigen
Element(en) liegen ebenfalls im Gedanken und Bereich der Erfindung.
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Zusammenfassung
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SEPARATOR UND BRENNSTOFFZELLE
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Ein
Separator (41) zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel
weist eine anodenzugewandte Platte (44), eine kathodenzugewandte
Platte (42) und eine Zwischenplatte (45) auf.
Die Zwischenplatte (45) weist eine Luftzufuhr-Durchgangsbohrung (452a),
eine Luftausfuhr-Durchgangsbohrung (452b), eine Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung (454a)
und eine Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung (454b) auf.
Die Zwischenplatte (45) weist ebenfalls Durchgangsbohrungen
(452c1, 452d1, 452e1 und 452f1)
auf. Über Verbindungskanäle (452c2, 452d2, 452e2 und 452f2),
die in der Zwischenplatte (45) ausgebildet sind, stehen
die Luftzufuhr-Durchgangsbohrung (452a) mit der Durchgangsbohrung
(452c1), die Luftausfuhr-Durchgangsbohrung (452b)
mit der Durchgangsbohrung (452d1), die Wasserstoffzufuhr-Durchgangsbohrung (454a)
mit der Durchgangsbohrung (452e1) und die Wasserstoffausfuhr-Durchgangsbohrung
(454b) mit der Durchgangsbohrung (452fl) in Verbindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-6104
A [0003, 0005, 0008, 0012]