DE112009002060T5

DE112009002060T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112009002060T5
Application number: DE112009002060T
Authority: DE
Inventors: Tomokazu Aichi-ken Hayashi; Naotoshi Aichi-ken Miyamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-07-14
Also published as: JP5429467B2; US9450253B2; CN102047480B; CA2696832A1; WO2010024341A1; JP2010170984A; CN102047480A; US20100285395A1; CA2696832C

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall besteht, das zwischen Bestandteilen der Zelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsbereich, der eine Masche des Streckmetalls verbindet, in einer Position, wo eine Verbindungslänge verkürzt ist, teilweise aufrecht steht, so dass er einen Teil eines Stegbereichs ausbildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
Bei einer Brennstoffzelle wird eine Zelle (einzelne Zelle), die darin als eine Kleinsteinheit dient, durch Aneinanderstapeln von einer Mehrzahl von Zellenbestandteilen gebildet, und durch das Ausbilden einer Stapelstruktur, in der eine Mehrzahl von Zellen aneinandergestapelt ist, wird eine erforderliche Spannung sichergestellt. Ein aus einem plattenförmigen Bauteil bestehender Separator wird in der Stapelstruktur als ein Element eingesetzt, das auf einer äußersten Schicht einer jeden Zelle positioniert ist, um die Zellen im Stapel jeweils voneinander zu trennen. Zudem dient der Separator dazu, einer Anodenseite ein Brenngas zuzuführen und einer Kathodenseite ein Oxidationsmittel zuzuführen, eine durch die Zelle erzeugte Elektrizität zu leiten, ein in der Zelle entstandenes Wasser abzuführen und so weiter.
18 zeigt ein Beispiel der Zellenstruktur einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Eine Zelle 10 ist so strukturiert, dass eine Membranelektrodenanordnung 12 (die nachstehend als „MEA” bezeichnet wird) in einem mittleren Bereich der Zelle 10 in einer Dickenrichtung angeordnet ist und eine Gasdiffusionsschicht 14 (anodenseitige/kathodenseitige Gasdiffusionsschichten 14A, 14C), eine Gasströmungsleitung 16 (anodenseitige/kathodenseitige Gasströmungsleitung 16A, 16C) und ein Separator 18 (anodenseitige/kathodenseitige Separatoren 18A, 18C) auf jeder Seite der MEA 12 angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass eine Struktur, die durch Integrieren der MEA 12 und der Gasdiffusionsschicht 14 gebildet wird, als eine MEGA bekannt sein dürfte (Membranelektroden- und Gasdiffusionsschicht-Anordnung).
Bei der Struktur der in 18 gezeigten Zelle 10, in der die Gasströmungsleitung 16 als eine separate Struktur zum Separator 18 ausgebildet ist, sind die vorstehend angeführten Funktionen des Separators gewährleistet, indem ein Streckmetall, beispielsweise als Struktur zum Ausbilden der Gasströmungsleitung 16, verwendet wird (siehe z. B. Patentschriften 1 und 2).
Patentschrift 1: japanische Patentanmeldungsveröffentlichungsschrift JP-A-2005-310633
Patentschrift 2: japanische Patentanmeldungsveröffentlichungsschrift JP-A-2002-198069
Offenbarung der Erfindung
Aufgabenstellung der Erfindung
Bei einem Streckmetall 20, das als die Struktur zum Ausbilden der Gasströmungsleitung 16 in der Zelle 10 verwendet wird, handelt es sich um eine Endlosstruktur, bei der eine hexagonale bzw. sechseckige Masche 22, die in 19 gezeigt ist, beispielsweise in einem sogenannten Zickzackmuster angeordnet ist. Das Streckmetall 20 wird einem Fertigungsvorgang unterzogen (auf den in der Beschreibung nachstehend eingegangen wird), bei dem in ein plattenförmiges Flachmaterial unter Verwendung einer Form schrittweise Schlitze geschnitten bzw. gestanzt werden, während das Material zugeführt wird, um die Masche 22 auszubilden, wonach jede Masche 22 in einer (Material-)Vorschubrichtung (die in der vorliegenden Erfindung als „FD-Richtung” bezeichnet werden soll) eine endlose treppenförmige Struktur ausbildet.
Die Masche bzw. das Maschengitter 22, die bzw. das durch das Streckmetall 20 gebildet wird, wird dann in der Zelle 10, die in 18 gezeigt ist, zwischen der Gasdiffusionsschicht 14 und dem Separator 18 so angeordnet, dass eine geneigte Oberfläche entsteht, wodurch dreieckige Gasströmungsleitungen 24, die durch einen schraffierten Bereich in 20 gezeigt sind, in einem Zickzackmuster zwischen den zickzackartig angeordneten Maschen 22 und den jeweiligen Oberflächen der Gasdiffusionsschicht 14 und des Separators 18 ausgebildet werden. Somit strömt das durch die Gasströmungsleitung 16 strömende Gas der Reihe nach in der FD-Richtung durch die dreieckigen Gasströmungsleitungen 24, die in einem Zickzackmuster angeordnet sind. Dabei wird eine Gasströmung GF in der FD-Richtung und in einer dazu orthogonalen Richtung (einer Querrichtung oder einer Werkzeugsrichtung, die in der vorliegenden Erfindung als „Werkzeugvorschubrichtung” oder „TD-Richtung” bezeichnet werden soll) in Schwingung versetzt, wie in 19 gezeigt ist, und dementsprechend ist die Gasströmung GF einer immer wieder äußerst engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt.
Wenn die Gasströmung GF durch die Gasströmungsleitung 16 in der in 19 gezeigten Weise einer immer wieder äußerst engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt ist, verstärkt sich der Druckabfall in dem durch die Gasströmungsleitung 16 strömenden Gas. Um also die notwendige Gasströmung zu gewährleisten, steigen unweigerlich auch die Anforderungen an das Leistungsverhalten eines Luftkompressors, einer Wasserstoffumwälzpumpe und so weiter an, was dazu führt, dass sich auch die Abmessungen dieser Zubehörteile und somit auch die Abmessungen des gesamten Brennstoffzellensystems vergrößern. Außerdem dienen die dreieckigen Gasströmungsleitungen 24, die in einem Zickzackmuster angeordnet sind, auch als Abführleitungen für das in der Zelle erzeugte Entstehungswasser, doch die Gasströmungsleitungen gemäß diesem Aufbau weisen einen geringen Leitungsquerschnitt auf, und es gestalte sich daher schwierig, das Entstehungswasser reibungslos aus der Zelle abführen zu können. Dementsprechend kommt es auch zu einem Anstieg der Diffusionsüberspannung, was eine reduzierte Leistungsabgabe und eine reduzierte Spannungsstabilität zur Folge hat.
Um sicherzustellen, dass das Entstehungswasser reibungslos abgeführt wird, kann das Ablaufverhalten dadurch verbessert werden, dass eine Gasströmungsgeschwindigkeit in Richtung eines Strömungsleitungsauslasses erhöht wird (siehe die oben angeführte „Patentschrift 2”), doch da der Druckabfall in den dreieckigen Strömungsleitungen 24, die in einem Zickzackmuster angeordnet sind, entlang der gesamten Gasströmungsleitung 16 einheitlich vorliegt und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Gasströmungsleitung 16 konstant ist, verbleibt die Gasströmungsgeschwindigkeit entlang der gesamten Strömungsleitung 16 mehr oder weniger konstant.
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung der vorstehend geschilderten Probleme konzipiert worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckabfall eines durch eine Gasströmungsleitung einer Zelle strömenden Gases nach Bedarf zu reduzieren, so dass eine Gasströmung angemessen erhöht werden kann, die Abmessungen eines Brennstoffzellensystems verringert, sowie eine Leistungsabgabe des System erhöht und eine Spannungsstabilität gewährleistet werden können, und so weiter.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, ist eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle mit eine Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall gebildet wird, das zwischen Zellenbestandteilen angeordnet wird, wobei ein Gasdruckabfall zwischen den Zellenbestandteilen angemessen gesteuert werden kann, indem die Maschenform eines Streckmetalls modifiziert wird.
(Ausführungsformen der Erfindung)
Die folgenden Formen der Erfindung stellen Beispiele für den Aufbau der vorliegenden Erfindung dar, und sind zum besseren Verständnis der verschiedenen Aufbauten der vorliegenden Erfindung nummeriert worden. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung soll durch die jeweils nummerierten Formen nicht eingeschränkt werden, und der technische Schutzbereich der vorliegenden Erfindung kann auch Konfigurationen umfassen, bei denen die Bestandteile einer jeweiligen Form teilweise ausgetauscht, ausgelassen oder durch zusätzliche Bestandteile ergänzt wurden, während man dabei stets auf die beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung bedacht war.

(1) In einer Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall gebildet wird, das zwischen den Bestandteilen der Zelle angeordnet ist, steht ein Verbindungsbereich, der eine Masche des Streckmetalls verbindet, teilweise aufrecht in einer Position, wo eine Verbindungslänge derart verkürzt ist, dass ein Teil eines Stegabschnitts bzw. Strand-Portion ausgebildet wird (Anspruch 1).

Bei der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt steht der Verbindungsbereich, der die Masche des Streckmetalls verbindet, teilweise aufrecht in einer Position, wo die Verbindungslänge so verkürzt ist, dass ein Teil des Stegabschnitts bzw. Strand-Portion ausgebildet wird. Somit wird in einer Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, eine Fläche, auf der die vordere und hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden, aus der FD-Richtung kommend immer größer. Somit vergrößert sich auch die Schnittfläche von einer Mehrzahl von im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch ein Kontinuum in der FD-Richtung der Öffnungen gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden. Dabei strömt das Gas durch die Gasströmungsleitung, die aus dem Streckmetall besteht, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, ohne dass die Gasströmung einer immer wieder äußerst engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt wird, wodurch eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht wird.

(2) In einer Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall gebildet ist, das zwischen Zellenbestandteilen angeordnet ist, ist ein Teil eines Stegabschnitts, der eine Masche des Streckmetalls darstellt, als eine sich kontinuierlich fortsetzende bzw. endlose Oberfläche ausgebildet, die in Bezug auf einen Verbindungsbereich keine Abstufung aufweist (Anspruch 2).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt ist ein Teil des Stegabschnitts, der die Masche des Streckmetalls darstellt, als eine sich kontinuierlich fortsetzende bzw. endlose Oberfläche ausgebildet, die in Bezug auf den Verbindungsbereich keine Abstufung aufweist. In diesem Fall kommt es in der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, aus der FD-Richtung zu einer Vergrößerung der Fläche, auf der die vordere und hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden. Somit vergrößert sich auch die Schnittfläche von der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die aus dem Kontinuum in der FD-Richtung der Öffnungen bestehen, die einander in der TD-Richtung überschneiden. Dabei strömt das Gas durch die Gasströmungsleitung, die aus dem Streckmetall besteht, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, ohne dass die Gasströmung einer immer wieder äußerst engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt ist, wodurch eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht wird.

(3) In der Brennstoffzelle gemäß den Punkten (1) und (2) ist eine Form einer Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, bei Betrachtung aus der Breitenrichtung der Abstufung der Masche im Wesentlichen sechseckig bzw. hexagonal und erreicht eine polygonale Form, wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang einer Diagonale einer TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben wird (Anspruch 3).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt steht der Verbindungsbereich, der die Masche des Streckmetalls verbindet, teilweise aufrecht in einer Position, wo die Verbindungslänge so verkürzt ist, dass ein Teil des Stegabschnitts gebildet wird, oder dass ein Teil des Stegabschnitts, der die Masche des Streckmetalls darstellt, als eine sich kontinuierlich fortsetzende bzw. endlose Oberfläche ausgebildet wird, die in Bezug auf den Verbindungsbereich keine Abstufung aufweist, und daher ist die Form der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, bei Betrachtung aus der Breitenrichtung der Abstufung der Masche im Wesentlichen sechseckig bzw. hexagonal und erreicht eine polygonale Form, wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang einer Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben wird. Somit ist die Breite der Öffnungsform in der TD-Richtung bei Betrachtung aus der FD-Richtung größer als die des Grundsechsecks, und die Fläche, auf der die vordere und die hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden, nimmt von der FD-Richtung her zu. Daher nimmt auch die Schnittfläche von der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen zu, die aus dem Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung, die einander in der TD-Richtung überschneiden, gebildet werden. Folglich strömt das Gas durch die Gasströmungsleitung, die aus dem Streckmetall gebildet ist, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, ohne dass die Gasströmung einer immer wieder engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt, wodurch eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht wird.
Es ist zu beachten, dass dadurch, dass ein Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, zunimmt, die Fläche, auf der vordere und hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden, aus der FD-Richtung kommend zunimmt, was zu einer Vergrößerung der Schnittfläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen führt, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden.

(4) In einer Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall besteht, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, ist die Form einer Öffnung des Streckmetalls bei Betrachtung aus einer Breitenrichtung der Abstufung der Masche im Wesentlichen polygonal und nimmt eine polygonale Form ein, wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben wird (Anspruch 4).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt ist die Form der durch die Masche des Streckmetalls gebildeten Öffnung bei Betrachtung aus der Breitenrichtung der Abstufung der Masche (die nachstehend auch als eine WD-Richtung bezeichnet wird) im Wesentlichen hexagonal und erreicht eine polygonale Form, wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang einer Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben wird. Somit ist die Breite der Öffnungsform in der TD-Richtung bei Betrachtung aus der FD-Richtung größer als die des Grundhexagons, und die Fläche, auf der die vordere und die hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden, nimmt von der FD-Richtung her zu. Somit nimmt auch die Schnittfläche von der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen zu, die aus dem Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung, die einander in der TD-Richtung überschneiden, gebildet sind. Folglich strömt das Gas durch die Gasströmungsleitung, die aus dem Streckmetall gebildet ist, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, ohne dass die Gasströmung einer immer wieder engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt wird, wodurch eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht wird.

(5) In der Brennstoffzelle gemäß den Punkten (3) und (4) wird eine Richtung, in der eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid verschoben ist, in einer identischen TD-Richtung über einer Mehrzahl von Öffnungen verschoben, die in einer FD-Richtung angeordnet sind (Anspruch 5).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt wird die Richtung, in der eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid verschoben ist, in einer identischen TD-Richtung über einer Mehrzahl von Öffnungen verschoben, die in der FD-Richtung angeordnet sind, und daher ist die Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die aus dem Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung bestehen, die einander in der TD-Richtung überschneiden, als Strömungsleitungen ausgebildet, die in einer identischen TD-Richtung über der Mehrzahl der Öffnungen ausgerichtet sind, die in der FD-Richtung angeordnet sind. In anderen Worten bildet die Gasströmung eine Strömung in der FD-Richtung, die in Richtung einer identischen TD-Richtung abweicht, ohne zu mäandrieren, während sie durch die Mehrzahl der Öffnungen strömt, die in einer identischen TD-Richtung verschoben ist, und somit kann eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht werden. Wird die Verschiebungsrichtung modifiziert, wechselt die Gasströmung in der Modifizierungsposition in die entgegengesetzte TD-Richtung und bildet dann eine Strömung in der FD-Richtung, die in Richtung einer identischen TD-Richtung abweicht, ohne zu mäandrieren, während sie durch die Mehrzahl der Öffnungen strömt, die in einer identischen TD-Richtung verschoben ist. Somit wird die Position (der Steuerzeitpunkt), wo (wenn) die Strömungsrichtung der Gasströmung wechselt, entsprechend der Anzahl der Öffnungen in der FD-Richtung, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, angemessen angepasst.

(6) In der Brennstoffzelle gemäß Punkt (5) unterscheidet sich eine kontinuierliche bzw. sich durchgehend fortsetzende Anzahl der Öffnungen in der FD-Richtung, die in der identischen TD-Richtung verschoben sind, in jeder Position oder jedem Bereich des Streckmetalls (Anspruch 6).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt unterscheidet sich die kontinuierliche bzw. sich durchgehend fortsetzende Anzahl der Öffnungen in der FD-Richtung, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, in jeder Position oder jedem Bereich des Streckmetalls, und daher kann die Gasströmung (Häufigkeit der Richtungswechsel bzw. Windungen, Strömungsgeschwindigkeit, Gasdruckabfall und so weiter) in jeder Position (einem kleinen Punkt) oder jedem Bereich (einer Fläche mit einer verhältnismäßig großen Reichweite) einer einzigen Zelle angemessen angepasst werden.

(7) In der Brennstoffzelle gemäß den Punkten (3) bis (6) unterscheidet sich ein Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, in jeder Position oder jedem Bereich des Streckmetalls (Anspruch 7).

Wie vorstehend unter Punkt (3) beschrieben wurde, wird dadurch, dass der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, zunimmt, auch die Fläche, auf der die vordere und die hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden, von der FD-Richtung her vergrößert, was zu einer Vergrößerung der Schnittfläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen führt, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden. Somit kann in der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt die Gasströmung (Strömungsgeschwindigkeit, Gasdruckabfall und so weiter) in jeder Position oder jedem Bereich einer einzelnen Zelle angemessen angepasst werden, indem bewirkt wird, dass der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, in jeder Position oder jedem Bereich des Streckmetalls verschieden ist.

(8) In der Brennstoffzelle gemäß den Punkten (3) bis (7) sind alle Öffnungen, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet sind, bei Betrachtung aus der WD-Richtung hexagonal geformt (Anspruch 8).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt sind alle Öffnungen bei Betrachtung aus der WD-Richtung polygonal, und daher ist die Breite in der TD-Richtung aus Sicht der FD-Richtung größer als die des Grundhexagons, und die Fläche, auf der die vordere und die hintere Öffnung einander in der TD-Richtung überschneiden, nimmt von der FD-Richtung her zu. Somit vergrößert sich auch die Schnittfläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch das Kontinuum in der FD-Richtung der Öffnungen, die einander in der TD-Richtung überschneiden, gebildet werden. Dabei strömt das Gas durch den gesamten Bereich der Gasströmungsleitung, die durch das Streckmetall gebildet wird, das zwischen den Zellbestandteilen angeordnet ist, ohne dass die Gasströmung einer immer wieder engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt wird, wodurch eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht wird.

(9) Die Brennstoffzelle gemäß den Punkten (3) bis (7) beinhaltet eine Position oder einen Bereich, in der (dem) der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch das Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderen Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der FD-Richtung liegt (Anspruch 9).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt wird in der Position oder dem Bereich, in dem der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetall gebildet wird, entlang einer Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, entweder null (bei Null weist die Öffnung die hexagonale Grundform auf) oder kleiner als der der anderen Positionen oder Bereiche ist, die benachbart dazu in der FD-Richtung liegen, die Fläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden, teilweise verringert. Dabei wird die Gasströmung, die durch die Gasströmungsleitung strömt, die aus dem Streckmetall gebildet ist, das zwischen den Zellbestandteilen angeordnet ist, teilweise derart gedrosselt, dass ein Teil des Entstehungswassers, das zu einem Gasströmungs-Leitungsauslass strömt, in die TD-Richtung abweicht. Das Entstehungswasser, das durch die Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen und parallel angeordneten Gasströmungsleitungen strömt, gelangt dann miteinander in Kontakt, so dass eine einzige Wasserströmung durch die beidseitige Oberflächenspannung gebildet wird, und folglich kommt es zu einer begünstigten Abführung des Wassers durch eine andere Gasströmungsleitung. Hier kann ein Anstieg des Gasdruckabfalls aufgrund des verbliebenen Entstehungswassers unterdrückt werden.

(10) In der Brennstoffzelle gemäß Punkt (9) wird das Kontinuum in der Verschiebungsrichtung der Öffnungen, die in der identischen TD-Richtung verschoben sind, auf jeder Seite der Position oder des Bereichs unterbrochen, wo der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderen Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der FD-Richtung liegt (Anspruch 9).

Indem die Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt auf diese Weise konstruiert wird, wird dabei in der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet werden, die in der TD-Richtung einander überschneiden, teilweise ein Biegungs- oder ein Kröpfungsbereich ausgebildet. Folglich bewegt sich die Gasströmung, die durch die Gasströmungsleitungen strömt, die aus dem Streckmetall gebildet sind, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, teilweise in Biegungen oder Mäandern in dem Biegungs- oder Kröpfungsbereich, und zwar derart, dass ein Teil der Gasströmung in die TD-Richtung abweicht, wodurch bewirkt wird, dass ein Teil des Entstehungswassers, das zu dem Gasströmungsleitungs-Auslass strömt, in die TD-Richtung abweicht. Das durch die Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen, parallel angeordneten Gasströmungsleitungen strömende Entstehungswasser gelangt dann miteinander in Kontakt, so dass durch die beiderseitige Oberflächenspannung eine einzige Wasserströmung entsteht, und somit kommt es zu einer verbesserten Abführung des Wassers durch die Gasströmungsleitung. Dementsprechend kann ein Anstieg des Gasdruckabfalls aufgrund des verbliebenen Entstehungswassers unterdrückt werden.

(11) In der Brennstoffzelle gemäß den Punkten (5) bis (10) wird zumindest entweder eine kontinuierliche bzw. sich durchgehend fortsetzende Anzahl von Öffnungen in der FD-Richtung, die in der identischen TD-Richtung verschoben sind, der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist und/oder die Position oder der Bereich, wo der Verschiebungsbetrag entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderer Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der FD-Richtung liegt, in jeder von einer Mehrzahl der gestapelten Zellen variiert (Anspruch 11).

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt wird zumindest entweder eine kontinuierliche Anzahl von Öffnungen in der Materialvorschubrichtung, die in der identischen TD-Richtung verschoben sind, der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist und/oder die Position oder der Bereich, wo der Verschiebungsbetrag entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderer Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der FD-Richtung liegt, in jeder von der Mehrzahl der gestapelten Zellen variiert, und daher kann die Gasströmung in jeder Zelle an eine optimale Gasströmung angemessen angepasst werden.

(12) Gemäß den Punkten (1) bis (11) unterscheidet sich zumindest entweder die Breite einer Abstufung und/oder die Tiefe einer Abstufung der Masche des Streckmetalls in der FD-Richtung, während eine Gesamtdicke desselben in der FD-Richtung festgelegt ist (Anspruch 12).

Gemäß der nachstehenden Beschreibung wird das Streckmetall, das als eine Struktur zum Ausbilden der Gasströmungsleitungen in der Zelle verwendet wird, durch einen Vorgang hergestellt, bei dem eine Masche durch schrittweise Einbringen von Schlitzen in ein plattenförmiges Flachmaterial unter Verwendung einer Form erzeugt wird, während das Material zugeführt wird, und somit nimmt die Breite des Stegs der Masche zu, während auch die Breite der Abstufung der Masche zunimmt. Somit wird in der Brennstoffzelle gemäß diesem Punkt zumindest entweder die Breite der Abstufung oder die Tiefe der Abstufung der Masche des Streckmetalls in der FD-Richtung variiert, während eine Gesamtdicke derselben in der FD-Richtung festgelegt ist, und dabei ist in einer Position oder einem Bereich, in dem die Breite der Abstufung der Masche groß ist, eine Länge einer Öffnung pro Masche bei Betrachtung aus der FD-Richtung groß (wenn die Masche grobmaschig ist). In einer Position oder einem Bereich, in dem die Breite der Abstufung der Masche hingegen klein ist, ist die Länge der Öffnung pro Masche bei Betrachtung aus der FD-Richtung kurz (wenn die Masche feinmaschig ist). Somit strömt das Gas in einer Position oder einem Bereich, wo die Breite der Abstufung der Masche groß ist, in einer Weise, in der es in breit angelegten Windungen strömt, wohingegen in einer Position oder einem Bereich, wo die Breite der Abstufung der Masche gering ist, das Gas enge Windungen entlang strömt. Somit kann die Position (der Steuerzeitpunkt), in der (wenn) die Strömungsrichtung der Gasströmung wechselt bzw. sich wendet, entsprechend der Breite der Abstufung der Masche angemessen angepasst werden.
Effekte der Erfindung
Indem die vorliegende Erfindung in der vorstehend beschriebenen Weise konstruiert wird, kann der Druckabfall in dem Gas, das durch die Gasströmungsleitung der Zelle strömt, nach Bedarf vermindert werden, was zu einem entsprechenden Anstieg der Gasströmungsrate, verringerten Abmessungen des Brennstoffzellensystems, einem Anstieg der Leistungsabgabe des Systems, einer erhöhten Spannungsstabilität und so weiter führt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine darstellende Ansicht, die die Struktur eines Streckmetalls zeigt, das als ein Element zum Ausbilden einer Gasströmungsleitung in einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient, wobei 1A eine Ansicht ist, die das Streckmetall gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einer Breitenrichtung einer Abstufung einer Masche zeigt, und 1B eine Ansicht ist, die ein hexagonales Streckmetall zeigt, das als eine Basis bzw. ein Ausgangsmaterial für das Streckmetall dient, das in 1A aus der Breitenrichtung der Abstufung der Masche gezeigt ist;
2A bis 2C zeigen Variationen einer Öffnungsform des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3A bis 3C zeigen perspektivische Ansichten des Streckmetalls, das in 2A bis 2C gezeigt ist;
4 ist ein perspektivisches Musterdiagramm, das eine Form für eine Fertigungsvorrichtung zum Herstellen des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine schematische Seitenansicht, die die Form und eine Walze der Fertigungsvorrichtung zum Herstellendes Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine schematische Seitenansicht, die eine rollende Walze der Fertigungsvorrichtung zum Herstellen des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine veranschaulichende Ansicht, die einen Verschiebungsvorgang zum Verschieben einer oberen Form der Fertigungsform zum Herstellen des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer TD-Richtung zeigt, und die das Streckmetall aus der Breitenrichtung der Abstufung zeigt, wobei 7A einen Betrieb der oberen Form zum Formen des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 7B einen Betrieb der oberen Form zum Formen des hexagonal Streckmetalls zeigt, das als die Basis bzw. das Ausgangsmaterial für das Streckmetall gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient;
8 ist ein Musterdiagramm, das eine Brennstoffzelle zeigt, die das Streckmetall gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, in der eine Anzahl von Endlosgebilden bzw. Endlosformationen, die während einer kontinuierlichen Zuführung in einer identischen TD-Richtung gebildet werden, an jeder Position oder jedem Bereich variiert wird.
9 ist ein Musterdiagramm, das ein Beispiel für einen Fertigungsprozess zum Herstellen des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Breite einer Abstufung allmählich so variiert wird, dass die Breite der Abstufung in einem Bereich nahe eines Gasströmungseinlasses einer Zelle schmal ist; die Breite einer Abstufung in einem Bereich nahe des Gasströmungsauslasses breit ist und die Breite der Abstufung in einem Zwischenbereich zwischen dem Gasströmungseinlass und dem Gasströmungsauslass eine zwischen diesen Werten liegende Breite ist, wobei 9A ein maschinell geschnittenes bzw. abgratend geschnittenes bzw. gestanztes (lathe cut) Metall zeigt, und 9B ein Streckmetall zeigt, das erhalten wird, indem das maschinell geschnittene Metall gewalzt wird;
10 ist ein Musterdiagramm eines Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein Bilddiagramm einer Gasströmungsleitung, die in einer Brennstoffzelle anhand des Streckmetall ausgebildet worden ist, wobei 11A eine Gasströmungsleitung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 11B eine Gasströmungsleitung zeigt, die durch das hexagonale Streckmetall ausgebildet worden ist, das als Basis für das Streckmetall gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient;
12 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Gasströmungsrate während einer Leistungserzeugung und einem Gasdruckabfall während einer Leistungserzeugung zeigt, die unterschiedlichen Verschiebungsbeträgen entspricht, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons, das als eine Grundform einer Öffnung des Streckmetalls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient, entlang einer Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist;
13 ist eine Draufsicht auf eine Zelle, die ein Streckmetall beinhaltet, das als ein Element zum Ausbilden einer Gasströmungsleitung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient;
14 eine teilweise perspektivische Ansicht, die das Streckmetall zeigt, das als ein Element zum Ausbilden eine Gasströmungsleitung der Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient;
15A zeigt die Strömung eines Entstehungswassers durch die Gasströmungsleitung, die durch das Streckmetall gebildet worden ist, das in 14 gezeigt ist, und 15B zeigt, als ein Vergleichsbeispiel, die Strömung eines Entstehungswassers, das in der Gasströmungsleitung erzeugt werden kann, die aus dem Streckmetall gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht;
16 ist eine teilweise perspektivische Ansicht, die ein Anwendungsbeispiel für das Streckmetall zeigt, das als das Element zum Ausbilden der Gasströmungsleitung der Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient;
17 ist eine veranschaulichende Ansicht, die die jeweiligen Teile des Streckmetalls zeigt, wobei 17A eine Draufsicht auf eine Rautenmasche, 17B eine Schnittansicht, die entlang einer Linie A-A und einer Linie A'-A' erstellt worden ist, und 17C eine Draufsicht auf eine hexagonale Masche ist;
18 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für eine Zellenstruktur in einer herkömmlichen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zeigt;
19 ist eine Ansicht, die ein aus einer hexagonalen Masche bestehendes Streckmetall, das verwendet wird, um eine Gasströmungsleitung in der in 18 gezeigten Zelle auszubilden, aus einer Richtung der Breite der Abstufung der Masche zeigt;
20 ist eine Schnittansicht, die eine Gasströmungsleitung einer herkömmlichen Zelle zeigt, die das in 19 gezeigte Streckmetall verwendet; und
21 ist ein Referenzdiagramm, dass die jeweiligen Strukturen der Streckmetalle zum Ausbilden von Gasströmungsleitungen in den Brennstoffzellen gemäß dem einschlägigen Stand der Technik und der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; wobei 21A eine dreidimensionale Ansicht ist, die 1A entspricht, und 21B eine dreidimensionale Ansicht ist, die 1B entspricht.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es ist zu beachten, dass in der Beschreibung auf Teile, die mit dem einschlägigen Stand der Technik identisch sind oder diesem entsprechen, nicht ausführlich eingegangen wird.
Zur Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zunächst die Bezeichnungen der jeweiligen Teile eines Streckmetalls unter Bezugnahme auf 17 präzisiert. Bei dem Streckmetall handelt es sich typischerweise um eine Endlosstruktur, bei der die vorstehend beschriebene hexagonale Masche 22 (siehe 19 und 17C) und eine Rhomboid-Masche bzw. Rautenmasche 26 wie die in 17A gezeigte in einer sogenannten Zickzackanordnung angeordnet sind. Ein Übergangsbereich der Masche wird als ein Verbindungsbereich BO bezeichnet, und ein Teil, der die Verbindungsbereiche BO der Masche verbindet, wird als ein Stegabschnitt bzw. Strand-Portion ST bezeichnet. Eine Länge des Verbindungsbereichs BO in der TD-Richtung wird als eine Verbindungslänge BO1 bezeichnet, und eine Dicke des Stegabschnitts ST wird als eine Stufenbreite (Vorschubbreite) W bezeichnet. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen t eine Plattendicke eines Materials, und ein Bezugszeichen D bezeichnet eine Gesamtdicke des Streckmetalls. Es ist zu beachten, dass 17 die FD-Richtung (die Materialvorschubrichtung), die TD-Richtung (Werkzeugvorschubrichtung) und die WD-Richtung (die Breitenrichtung der Abstufung der Masche) zusammen zeigt.
Wie anhand dieser Bezeichnungen deutlich wird, nimmt die hexagonale Masche 22 eine Maschenform an, bei der der Verbindungsbereich BO lang ist, während die Rautenmasche 26 eine Maschenform annimmt, bei der der Verbindungsbereich BO kurz ist. Eine Querschnittsform in der FD-Richtung (A-A-Querschnittsform) der Rautenmasche 26 ist mit einer Querschnittsform in der FD-Richtung (A'-A'-Querschnittsform) der hexagonalen Masche 22 identisch, und somit sind in 17B die beiden Querschnittsformen in der FD-Richtung gezeigt.
In einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Streckmetall als ein Element zum Ausbilden einer Gasströmungsleitung verwendet, und 1 zeigt einen Umriss der strukturellen Merkmale des Streckmetalls. Insbesondere steht der Verbindungsbereich BO, der die Masche verbindet, teilweise an Positionen aufrecht, wo die Verbindungslänge BO1 (siehe 17) verkürzt ist, wodurch ein Teil des Stegabschnitts bzw. Strand-Portion ST gebildet wird. In anderen Worten wird ein Teil des Stegabschnitts ST, der die Masche des Streckmetalls darstellt, als eine sich kontinuierlich fortsetzende bzw. endlose Oberfläche gebildet, die in Bezug auf den Verbindungsbereich BO keine Abstufung aufweist.
In einem Streckmetall 28 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Form einer Öffnung 30 des Streckmetalls aus der WD-Richtung betrachtet im Wesentlichen hexagonal, wie in 1B und 21B gezeigt ist, doch wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang einer Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben wird, wird die hexagonale Form zu einer polygonalen Form (in dem dargestellten Beispiel z. B. zu einem Oktagon bzw. Achteck), wie in 1A gezeigt ist.
Wie in 1A gezeigt ist, wird ferner in der Öffnung 30, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird, die Richtung, in der ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid verschoben ist, in eine identische TD-Richtung über eine Mehrzahl von in der Materialvorschubrichtung FD angeordneten Öffnungen hinweg verschoben.
Genauer gesagt wird in dem Beispiel von 1A eine Öffnung, die mit dem Bezugszeichen 30L bezeichnet wird, durch nach links erfolgendes Verschieben einer dargestellten oberen Hälfte des Trapezoids, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu einer unteren Hälfte in der TD-Richtung gebildet, so dass drei sich in der FD-Richtung fortsetzende Öffnungen 30L entstehen. Ferner wird eine mit dem Bezugszeichen 30R bezeichnete Öffnung durch nach rechts erfolgendes Verschieben einer dargestellten oberen Hälfte des Trapezoids, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu einer unteren Hälfte in der TD-Richtung gebildet, so dass drei durchgehende bzw. kontinuierliche Öffnungen 30R in der FD-Richtung entstehen.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, kann ferner die Form der Öffnung 30, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gebildet wird, durch Modifizieren des Verschiebungsbetrags, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, angemessen variiert werden.
Genauer gesagt zeigt 2A eine Beispiel, bei dem der Verschiebungsbetrag in der TD-Richtung auf einen maximal zulässigen Verschiebungsbetrag eingestellt ist, so dass die Verbindungslänge BO1 des Verbindungsbereichs BO eine minimale Verbindungslänge einnimmt, bei der eine erforderliche Stärke bzw. Festigkeit des Verbindungsbereichs BO gewährleistet werden kann, und 3A ist ein dreidimensionales Musterdiagramm in Entsprechung zu 2A. Ferner zeigt 2B ein Beispiel, bei dem der Verschiebungsbetrag in der TD-Richtung so eingestellt ist, dass die Verbindungslänge BO1 die Hälfte der Länge des Verbindungsbereichs BO des Grund-Hexagons beträgt, und 3B ist ein dreidimensionales Musterdiagramm in Entsprechung zu 2B. Ferner zeigt 2C ein Beispiel, bei dem der Verschiebungsbetrag in der TD-Richtung derart reduziert ist, dass die Verbindungslänge BO1 etwas kürzer ist als die Verbindungslänge des Verbindungsbereichs BO des Grundhexagons, und 3C ist ein dreidimensionales Musterdiagramm in Entsprechung zu 2C.
Unter Bezugnahme auf 4 bis 7 wird nun eine Vorgehensweise bzw. ein Verfahren zum Herstellen des Streckmetalls 28 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Eine Fertigungsvorrichtung zum Herstellen des Streckmetalls 28 beinhaltet eine Form mit einem Formwerkzeug 32, einer oberen Formklinge 34 und einer unteren aufnehmenden Formklinge 36 und einer Walze 40 zum Zuführen eines plattenförmigen Flachmaterials 38 in der FD-Richtung, wie in 4 und 5 gezeigt ist. Die obere Formklinge 34 wird in der TD-Richtung (die orthogonal zur FD-Richtung ist) verschoben und in der WD-Richtung angehoben/abgesenkt (Aufwärts-Abwärtsrichtung). Die trapezförmigen Vorsprünge 34a sind auf einer unteren Oberfläche der oberen Formklinge 34 in festen Abständen in der TD-Richtung ausgebildet.
Das plattenförmige Flachmaterial 38 wird der Form bei einer vorbestimmten Stufenbreite W durch die Walze 40 zugeführt, und das plattenförmige Flachmaterial 38 wird durch die trapezförmigen Vorsprünge 34a und das Formwerkzeug 32 teilweise abgeschert bzw. angeschnitten und von der oberen Formklinge 34 und der unteren aufnehmenden Formklinge 36 beidseitig umgeben. Dabei werden in dem plattenförmigen Flachmaterial 38 erhöht ausgebildete trapezförmige Ausschnitte gebildet. Ferner wird die obere Formklinge 34 jedes Mal in die TD-Richtung verschoben, wenn die obere Formklinge 34 angehoben wird, so dass die trapezförmigen erhöht ausgebildeten Ausschnitte schrittweise im Zickzackmuster ausgebildet werden, und dabei entsteht ein maschinell geschnittenes bzw. abgratend geschnittenes bzw. gestanztes (lathe cut) Metall 28' mit treppenförmigen Maschen. Das maschinell geschnittene Metall 28' mit den treppenförmigen Maschen wird dann durch eine rollende Walze 42, die in 6 gezeigt ist, gewalzt, wodurch das Streckmetall 28 mit der gewünschten Gesamtdicke D entsteht (siehe 17B).
Wenn das plattenförmige Flachmaterial 38 der Form mit Hilfe der Walze 40 bei der vorbestimmten Abstufungsbreite W zugeführt wird und die trapezförmigen erhöht ausgebildeten Ausschnitte in dem plattenförmigen Flachmaterial 38 schrittweise ausgebildet werden, indem die obere Formklinge 34 jedes Mal in die TD-Richtung verschoben wird, wenn die obere Formklinge 24 angehoben und gesenkt wird, wird die Öffnung des Streckmetalls 28 (des maschinell geschnittenen Metalls 28') in die hexagonale Grundform gebracht, indem bewirkt wird, dass die obere Formklinge 34 einen alternierenden Hin- und Herbewegungs-Verschiebungsbetrieb in der TD-Richtung bei einem halben Abstand P der Anordnungsintervalle bzw. -abstände der trapezförmigen Vorsprünge 34a ausführt, die auf der oberen Formklinge 34 ausgebildet sind, wie in 7B durch die eingekreisten Nummern 1-2-1-2 gezeigt ist.
Wenn gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das plattenförmige Flachmaterial 38 der Form mittels der Walze 40 bei der vorbestimmten Abstufungsbreite W zugeführt wird und die obere Formklinge 34 jedes Mal in die TD-Richtung verschoben wird, wenn die obere Formklinge 34 angehoben und abgesenkt wird, kann das Streckmetall 28 mit den polygonalen Öffnungen 30, die in 1 bis 3 gezeigt sind, durch Ausführen eines Verschiebungsbetriebs zum kontinuierlichen Verschieben der oberen Formklinge 34 in einer identischen TD-Richtung und zum anschließenden Zurückversetzen der oberen Formklinge 34 in die entgegensetzte TD-Richtung bei einem Abstand (1/3P in dem Beispiel in der Zeichnung), der in Bezug auf die Hälfte des Abstands P der Anordnungsintervalle bzw. -abstände der auf der oberen Formklinge 34 ausgebildeten trapezoiden Vorsprünge 34a nochmals dividiert worden ist, wie durch die eingekreisten Nummern 1-2-3-4-3-2-1 in 7A angezeigt ist, hergestellt werden.
Ferner kann in der Streckmetall-Fertigungsvorrichtung die Anzahl der Endlosgebilde bzw. Endlosformationen, die während des kontinuierlichen Zuführens in der identischen TD-Richtung entstehen, in jeder Position oder jedem Bereich des Streckmetalls durch Modifizieren einer TD-Richtungsverschiebungs-Steuerungslogik der oberen Formklinge 34 variiert werden, wie in 8 gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass in dem in 8 gezeigten Beispiel die Anzahl der Endlosgebilde bzw. Endlosformationen in einem Bereiche R1 nahe eines Gasströmungseinlasses der Zelle hoch ist (wobei unter Heranziehung des in 7A gezeigten Beispiels der Verschiebungsbetrieb der oberen Formklinge 34 in der TD-Richtung auf 1-2-3-4-5-6-5-4-3-2-1 eingestellt ist), die Anzahl der Endlosgebilde in einem Bereich R3 nahe eines Gasströmungsauslasses niedrig ist (1-2-3-2-1) und die Anzahl der Endlosgebilde in einem Zwischenbereich R2 zwischen dem Gasströmungseinlass und dem Gasströmungsauslass eine dazwischen liegende Anzahl beträgt (1-2-3-4-5-4-3-2-1).
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner im Fertigungsstadium des maschinell geschnittenen Metalls 28' das plattenförmige Flachmaterial 38 der Form mit Hilfe der Walze 40 derart zugeführt werden, dass die Abstufungsbreite der Masche in der FD-Richtung unterschiedlich ausfällt, wodurch die Gesamtdicke in der FD-Richtung variiert, und in dem durch die rollende Walze 42 ausgeführten Walzvorgang, der in 6 gezeigt ist, kann das Streckmetall 28 derart geformt werden, dass die Gesamtdicke in der FD-Richtung konstant ist. Wie in 9A gezeigt ist, wird z. B. das maschinell geschnittene Metall 28' derart geformt, dass zumindest entweder die Abstufungsbreite und/oder die Abstufungstiefe graduell variiert, oder, anders ausgedrückt, dass die Abstufungsbreite W im Bereich R1 nahe des Gasströmungseinlasses der Zelle schmal ist, die Abstufungsbreite W im Bereich R3 nahe des Gasströmungsauslasses breit ist und die Abstufungsbreite W in dem Zwischenbereich R zwischen dem Gasströmungseinlass und dem Gasströmungsauslass eine dazwischen liegende Breite annimmt, und das Streckmetall 28, das in 9B gezeigt ist, wird durch Walzen des maschinell geschnittenen Metalls 28' so geformt, dass die Gesamtdicke in der FD-Richtung konstant ist.
Ferner kann in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest entweder die kontinuierliche Anzahl in der FD-Richtung der Öffnungen, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, und/oder ein Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung 30, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, in jedem von einer Mehrzahl der gestapelten Zellen variiert werden. In einem in 10 gezeigten Stapel 40 werden z. B. die kontinuierliche Anzahl der Öffnungen und der Verschiebungsbetrag des Streckmetalls einer an einem Endbereich befindlichen Zelle 10E in Bezug auf die gesamte Zelle 10E erhöht. Es ist zu beachten, dass in 10 das Bezugszeichen 42 einen Gaseinlassverteiler des Stapels 40 bezeichnet und das Bezugszeichen 44 einen Gasauslass bezeichnet.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den vorstehend erläuterten Aufbau aufweist, können folgende Wirkungen und Effekte erzielt werden.
Wie in 1A, 2 und 3 gezeigt ist, steht in der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Verbindungsbereich BO, der die Masche des Streckmetalls 28 verbindet, teilweise aufrecht in einer Position, wo die Verbindungslänge BO1 verkürzt ist, wodurch ein Teil des Stegabschnitts ST gebildet wird. In anderen Worten wird ein Teil des Stegabschnitts ST, der die Masche des Streckmetalls 28 darstellt, als eine sich kontinuierlich fortsetzende bzw. endlose Oberfläche geformt, die in Bezug auf den Verbindungsbereich BO keine Abstufung aufweist. Wird somit die Öffnung 30, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gebildet wird, aus der FD-Richtung betrachtet, wird eine Fläche, auf der die vorderen und hinteren Öffnungen 30 einander in der TD-Richtung überschneiden, größer, wodurch eine Schnittfläche von einer Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch ein Kontinuum in der FD-Richtung der Öffnungen gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden, vergrößert wird.
Wie in 1A, 2, 3 und 21A gezeigt ist, ist ferner die Form der Öffnung 30, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gebildet wird, bei Betrachtung aus der WD-Richtung im Wesentlichen hexagonal, doch wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd (1B) der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben wird, nimmt die hexagonale Form eine polygonale Form an. Dabei ist die Breite in der TD-Richtung der Öffnungsform größer als die des Grundhexagons bei Betrachtung in der FD-Richtung, und die Fläche, auf der die vorderen und hinteren Öffnungen einander in der TD-Richtung überschneiden, wird bei Betrachtung aus der FD-Richtung größer. Somit vergrößert sich auch die Schnittfläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung, die einander in der TD-Richtung überschneiden, gebildet werden.
Wie insbesondere durch das Bilddiagramm in 11 gezeigt wird, ist eine Gasströmungsleitung 46P (11B) aus einem typischen Streckmetall 20, bei dem hexagonale Öffnungen in einem Zickzackmuster angeordnet sind, in einem schmal ausgeführten Bereich eines Kontaktbereichs mit der Gasdiffusionsschicht 14 oder dem Separater 18 ausgebildet, wohingegen Gasströmungsleitungen 46I (11A) des Streckmetalls 28 gemäß dieser Ausführungsform in der Nähe des Kontaktbereichs mit der Gasdiffusionsschicht 14 oder dem Separator 18 ausgeprägt ausgebildet sind. Daher strömt das Gas durch die Gasströmungsleitungen 46I, die aus dem Streckmetall gebildet sind, das zwischen den Zellenbestandteilen angeordnet ist, ohne dass die Gasströmung einer immer wieder engen Windungen folgenden Strömung ausgesetzt ist, wodurch folglich eine Verringerung des Gasdruckabfalls erreicht werden kann.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist außerdem in der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, die Richtung, in der ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid verschoben ist, in einer identischen TD-Richtung über eine Mehrzahl von Öffnungen verschoben, die in der FD-Richtung angeordnet sind, und somit ist die Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen 46I, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung, die einander in der TD-Richtung überschneiden, gebildet werden, als Strömungsleitungen in der FD-Richtung ausgebildet, die in Richtung einer identischen TD-Richtung über der Mehrzahl von in der FD-Richtung angeordneten Öffnungen abweichen. Wie insbesondere in 1A gezeigt ist, bildet eine Gasströmung GF eine Strömung in der FD-Richtung, die in Richtung einer identischen TD-Richtung abweicht, ohne dabei zu mäandrieren, während sie durch die Mehrzahl von Öffnungen 30(30R) strömt, die in die identische TD-Richtung verschoben sind, wobei dadurch eine Reduktion des Gasdruckabfalls erreicht werden kann. Wenn die Verschiebungsrichtung modifiziert wird, wechselt die Gasströmung GF in die entgegengesetzte TD-Richtung in der Modifikationsposition und bildet dann eine Strömung in der FD-Richtung, die in Richtung einer identischen TD-Richtung abweicht, ohne dabei zu mäandrieren, während sie durch die Mehrzahl der Öffnungen 30(30L) strömt, die in der identischen TD-Richtung verschoben sind.
Durch Anpassen der Position (des Steuerzeitpunkts), wo (bzw. wenn) die Strömungsrichtung der Gasströmung entsprechend der Anzahl der Öffnungen in der FD-Richtung der Öffnungen, die in eine identische TD-Richtung verschoben sind, entsprechend wechselt, kann ein Gasdruckabfall in der gesamten Zelle unterdrückt werden, und die gewünschten Leistungswerte eines Luftkompressors, einer Wasserstoffumwälzpumpe und so weiter können erreicht werden. Somit kann eine Vergrößerung der Abmessungen dieser Zubehörgeräte und folglich eine entsprechende Vergrößerung der Abmessungen des Brennstoffzellensystems verhindert werden. Wenn zudem die Gasströmungsleitungen 46I als Abführwege zum Abführen des Entstehungswassers funktionieren, das durch die Diffusionsschicht erzeugt wird, wird die Entstehungswasser-Leitungsfläche derart vergrößert, dass das Entstehungswasser problemlos ablaufen kann. Dabei nimmt eine Konzentrationsüberspannung ab, was eine verbesserte Leistungsabgabe und eine erhöhte Spannungsstabilität zur Folge hat.
Um ferner sicherzustellen, dass das Entstehungswasser problemlos abgeführt wird, wird eine Gasströmungsgeschwindigkeit vorzugsweise in Richtung des Strömungsleitungsauslasses erhöht, und somit wird, wie in 8 gezeigt ist, eine Anzahl von Endlosformationen in einer identischen TD-Richtung in dem Bereich R1 nahe des Gasströmungseinlasses der Zelle erhöht, die Anzahl der Endlosformationen in einer identischen TD-Richtung im Bereich R3 nahe des Gasströmungsauslasses verringert und die Anzahl der Endlosformationen in einer identischen TD-Richtung im Zwischenbereich R2 zwischen dem Gasströmungseinlass und dem Gasströmungsauslass auf eine dazwischen liegende Anzahl eingestellt. Somit kann der Druckabfall in der Gasströmungsleitung vorsätzlich variiert werden, wobei die Gasströmungsgeschwindigkeit in der Gasströmungsleitung 16 teilweise nach Bedarf erhöht werden kann.
Durch das auf diese Weise erfolgende Variieren der kontinuierlichen Anzahl der Öffnungen in der Materialvorschubrichtung, die in die identische TD-Richtung verschoben sind, in gewünschten Positionen und Bereichen des Streckmetalls, kann die Gasströmung (Häufigkeit der Windungen, Strömungsgeschwindigkeit, Gasdruckabfall und so weiter) in jeder Position oder jedem Bereich einer einzelnen Zelle angemessen angepasst werden.
Da ferner gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, zunimmt, vergrößert sich die Fläche, auf der die vorderen und hinteren Öffnungen einander in der TD-Richtung überschneiden, aus der FD-Richtung, was zu einer Vergrößerung der Schnittfläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen 46I führt (siehe 11A) die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet wird, die einander in der TD-Richtung überschneiden. Somit kann in der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gebildet wird, entlang der Diagonale TDd der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, in gewünschten Positionen und Bereichen des Streckmetalls variiert werden, und infolgedessen kann die Gasströmung (Strömungsgeschwindigkeit, Gasdruckabfall und so weiter) in gewünschten Positionen oder Bereichen einer einzelnen Zelle angemessen angepasst werden.
Es ist zu beachten, das 12 eine Beziehung zwischen einer Gasströmungsrate GF während der Leistungserzeugung und einem Gasdruckabfall GPlo während der Leistungserzeugung zeigt, und die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt haben, dass der Gasdruckabfall mit Zunahme des Verschiebungsbetrags in der TD-Richtung abnimmt (TDB > TDS).
Wie in 9 gezeigt ist, unterscheiden sich zudem in der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest entweder die Abstufungsbreite und/oder die Abstufungstiefe der Masche des Streckmetalls 28 in der FD-Richtung, während die Gesamtdicke derselben in der FD-Richtung festgelegt ist, und somit ist in der Position oder dem Bereich R3, in dem die Abstufungsbreite der Masche groß ist, die Öffnungslänge pro Masche bei Betrachtung aus der FD-Richtung groß (d. h. die Masche ist grobmaschig). In der Position oder dem Bereich R1, wo die Abstufungsbreite der Masche klein ist, ist hingegen die Öffnungslänge pro Masche bei Betrachtung aus der FD-Richtung kurz (d. h. die Masche ist feinmaschig). In einer Position oder einem Bereich also, wo die Abstufungsbreite der Masche groß ist, folgt die Gasströmung GF breit angelegten Windungen, wohingegen in einer Position oder einem Bereich, wo die Abstufungsbreite der Masche klein ist, folgt die Gasströmung GF eng angelegten Biegungen. Somit kann die Position (der Steuerzeitpunkt), wo (wenn) die Strömungsrichtung der Gasströmung wechselt, entsprechend der Abstufungsbreite der Masche angemessen angepasst werden, und dabei können ähnliche Wirkungen und Effekte wie jene in dem Beispiel erreicht werden, das in 8 gezeigt ist.
In der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zumindest entweder die kontinuierliche Anzahl der Öffnungen in der FD-Richtung, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, und/oder der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet ist, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, in jeder von der Mehrzahl der gestapelten Zellen variiert, und daher kann die Gasströmung in jeder Zelle auf eine optimale Gasströmung passend eingestellt werden. In dem typischen Stapel 40 ist es für das Gas z. B. schwierig, die am Endbereich befindliche Zelle 10E zu erreichen, und noch schwieriger als in anderen Zellen, das Entstehungswasser aus dieser Zelle zu entfernen, und daher ist eine drastische Abnahme der Zellenspannung wahrscheinlich. Wie in 10 gezeigt ist, wird das Streckmetall 28 der am Endbereich befindlichen Zelle 10E somit im Vorfeld derart ausgebildet, dass der Gasdruckabfall entsprechend dem vorstehend beschriebenen Beispiel vermindert wird und dabei die Abführung des Wassers aus der am Endbereich befindlichen Zelle begünstigt wird, wodurch eine Verringerung der Zellspannung verhindert wird. Anders ausgedrückt kann dadurch, dass das Streckmetall 28 so ausgebildet wird, dass die Gasströmung (Häufigkeit der Windungen, Strömungsgeschwindigkeit, Gasdruckabfall und so weiter) einer jeden Zelle nach Bedarf angepasst wird, ein optimaler Stapel 40 konstruiert werden. Durch Verwenden des Streckmetalls 28 in einer Mehrzahl von am Endbereich befindlichen Zellen, kann nicht nur in der am Endbereich befindlichen Zelle 10E, sondern im gesamten Stapel 40 eine angemessene Gasströmung erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Grundform der Öffnung 30, die durch die Masche gebildet wird, bei Betrachtung aus der WD-Richtung hexagonal, wie in 1A, 2 und 3 gezeigt ist, und das Streckmetall 28, das ein Hexagon bildet, wenn eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons entlang der Diagonale TDd (1B) der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben wird, kann in den Gasströmungsleitungen 16A, 16C auf entweder der Anodenseite oder der Kathodenseite oder auf beiden Seiten angeordnet sein. Daher wird nun die Struktur des verwendeten Streckmetalls vorzugsweise entsprechend untersucht.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 13 bis 16 beschrieben. Auf eine ausführliche Beschreibung von Teilen, die mit dem einschlägigen Stand der Technik und der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung identisch sind oder diesen entsprechen, ist an dieser Stelle verzichtet worden.
Wie die Draufsicht in 13 zeigt, ist eine Gasströmungsleitung 16 (siehe 18) in einer Zelle 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem Streckmetall 50 gebildet, das als ein Vorsprung dargestellt ist. Wie durch die perspektivische Ansicht der Einheit in 14 gezeigt ist, beinhaltet das Streckmetall 50 eine Position oder einen Bereich 52, in dem der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch das Masche gebildet wird, entlang der Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben ist, null beträgt. Der Bereich 52, in dem der Verschiebungsbetrag null beträgt, entspricht im Wesentlichen einer Position oder einem Bereich, in dem die Öffnung die hexagonale Grundform aufweist.
Insbesondere beinhaltet die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Position oder den Bereich 52, wo der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, kleiner (null bei einem Minimum, wie in 14 gezeigt ist) als bei den anderen Positionen oder Bereichen 55, 56 des Streckmetalls 50 ist, die neben der Position oder dem Bereich 52 in der FD-Richtung liegen. Darin liegt ein Unterschied zur ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Öffnungen 30, die durch das Masche 28 des Streckmetalls 20 gebildet werden, allesamt bei Betrachtung aus der WD-Richtung der Masche polygonal sind.
In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zudem das Kontinuum der Öffnungen in einer Verschiebungsrichtung, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, auf jeder Seite der Position oder des Bereichs 52 unterbrochen, wo der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag der Positionen oder Bereiche 54, 56 ist, die neben der Position oder dem Bereich 52 in der FD-Richtung liegen. In anderen Worten ist in dem Beispiel von 14 die Position oder der Bereich 54 in die nach links gerichtete TD-Richtung verschoben, und die Position oder der Bereich 56 ist in der nach rechts gerichteten TD-Richtung verschoben.
Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben konstruiert ist, können folgende Wirkungen und Effekte erreicht werden. Wie in 15A gezeigt ist, wird in der Position oder dem Bereich 52, wo der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls 50 gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, kleiner ist als der der anderen Positionen oder Bereiche, die daneben in der FD-Richtung liegen, die Schnittfläche der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden, teilweise reduziert.
Dabei wird die Gasströmung, die durch die Gasströmungsleitung 16 (18) strömt, die durch das Streckmetall 50 gebildet wird, teilweise derart gedrosselt, dass ein Teil des Entstehungswassers W, das in Richtung eines Gasströmungsleitungsauslasses strömt, in die TD-Richtung abweicht. Das Entstehungswasser W1, W2, das durch die Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen und parallel angeordneten Gasströmungsleitungen strömt, gelangt dann derart miteinander in Kontakt, dass eine einzelne Wasserströmung W3 durch die beiderseitige Oberflächenspannung gebildet wird und dabei die Wasserabführung durch eine weitere Gasströmungsleitung begünstigt wird. Somit kann ein Anstieg des Gasdruckabfalls aufgrund eines verbliebenen Entstehungswassers unterdrückt werden.
Als ein Vergleichsbeispiel zeigt 15B das Streckmetall 28 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier bildet die Gasströmung GF, die durch die Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen und parallel angeordneten Gasströmungsleitungen strömt, äußerst unabhängige Strömungen, und somit ist die Wahrscheinlichkeit, dass Gas oder Entstehungswasser W zwischen den benachbarten Leitungen oder mit der Seite des Separators 18 (18) und der Seite des GDL 12 (18) ausgetauscht wird, geringer als in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Tendenz ist insbesondere während eines Niedriglastbetriebs der Brennstoffzelle besonders ausgeprägt.
Wenn es somit in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu einer Situation kommt, bei der die Abführung des Entstehungswassers auf eine spezifische Gasströmungsleitung ausweicht, so dass das Entstehungswasser W in einer anderen Gasströmungsleitung verbleibt, was zu einem möglichen Anstieg des Gasdruckabfalls führt, kann die Abführung des Entstehungswassers W in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung begünstigt werden und dabei ein Anstieg des Gasdruckabfalls aufgrund eines verbliebenen Entstehungswassers unterdrückt werden.
In der Position oder dem Bereich 52 ist das Kontinuum der Öffnungen in der Verschiebungsrichtung, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, derart unterbrochen, dass teilweise ein Ellbogen- oder Kröpfungsbereich in der Mehrzahl der im Wesentlichen kanalförmigen Gasströmungsleitungen ausgebildet wird, die durch das Kontinuum der Öffnungen in der FD-Richtung gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden. Dabei bewegt sich die Gasströmung GF, die durch die Gasströmungsleitungen, die durch das Streckmetall 50 gebildet werden, strömt, teilweise in Biegungen oder mäandert in dem Ellbogen- oder Kröpfungsbereich derart, dass ein Teil der Gasströmung GF in die TD-Richtung abweicht. Dementsprechend weicht auch ein Teil des Entstehungswassers, das in Richtung des Gasströmungsleitungsauslasses strömt, in die TD-Richtung ab, und dementsprechend kann der oben beschriebene Effekt erhalten werden.
Es ist zu beachten, dass in den in 14 und 15A gezeigten Beispielen die Positionen oder Bereiche 54, 56, die die Position oder den Bereich 52 beidseitig umgeben, wieder in die TD-Richtung wechseln, doch die Positionen oder Bereiche 54, 56 nicht notwendigerweise auf diese Weise angeordnet sein müssen und beide in einer identischen TD-Richtung verschoben sein können.
Wie durch ein anderes Beispiel in 16 gezeigt wird, kann eine Position oder ein Bereich 58, der häufig wieder in die TD-Richtung wechselt, ausgebildet werden, während der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls 50 gebildet wird, entlang der Diagonale der TD-Richtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der TD-Richtung verschoben ist, konstant beibehalten wird.
In diesem Fall unterscheiden sich die kontinuierliche Anzahl der Öffnungen in der FD-Richtung, die in einer identischen TD-Richtung verschoben sind, in jeder Position oder jedem Bereich des Streckmetalls 50, doch da die Gasströmung GF, die durch die Gasströmungsleitungen strömt, die durch das Streckmetall 40 gebildet werden, teilweise Biegungen folgt oder mäandert, so dass ein Teil derselben in die TD-Richtung abweicht, wodurch bewirkt wird, dass ein Teil des Entstehungswassers, das in Richtung des Gasströmungsleitungsauslasses strömt, ebenfalls in die TD-Richtung abweicht, können ähnliche Wirkungen und Effekte wie jene erreicht werden, die vorstehend beschrieben wurden.
Weitere Wirkungen und Effekte sind jenen der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich, und daher wird auf eine ausführliche Beschreibung derselben verzichtet.
Bezugszeichenliste

10: Zelle
10E: am Endbereich befindliche Zelle
12: MEA
14, 14A, 14C: Gasdiffusionsschicht
16, 16A, 16C: Gasströmungsleitung
18, 18A, 18C: Separator
20, 28, 50: Streckmetall
22: hexagonales Masche
24: Gasströmungsleitung
30: Öffnung
40: Stapel
52: Bereich, in dem ein Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren der hexagonale Öffnung der Masche des Streckmetalls entlang einer Diagonalen einer Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben ist, null beträgt
W, W1, W2, W3: Entstehungswasser

Zusammenfassung
Brennstoffzelle
Aufgabe
Nach Bedarf erfolgende Verminderung eines Gasdruckabfalls in einer Gasströmungsleitung einer Zelle.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
In einer Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall gebildet ist, steht ein Verbindungsbereich BO, der eine Masche des Streckmetalls 28 verbindet, in einer Position, wo eine Verbindungslänge verkürzt ist, teilweise aufrecht, so dass er einen Teil eines Stegbereichs ST ausbildet. In einer Öffnung 30, die durch die Masche des Streckmetalls 28 gebildet wird, vergrößert sich eine Fläche, auf der die vorderen und hinteren Öffnungen 30 einander in der Werkzeugvorschubrichtung überlappen, bei Betrachtung aus einer Vorschubrichtung. Somit vergrößert sich auch die Schnittfläche der Gasströmungsleitungen, die durch ein Kontinuum in der FD-Richtung der Öffnungen 30 gebildet werden, die einander in der TD-Richtung überschneiden. Dabei kann eine Gasströmung GF erfolgen, ohne wiederholt engen Windungen folgen zu müssen, wodurch eine Verringerung des Gasdruckabfalls verhindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-310633 A [0004]
JP 2002-198069 A [0004]

Claims

Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall besteht, das zwischen Bestandteilen der Zelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsbereich, der eine Masche des Streckmetalls verbindet, in einer Position, wo eine Verbindungslänge verkürzt ist, teilweise aufrecht steht, so dass er einen Teil eines Stegbereichs ausbildet.
Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall besteht, das zwischen Bestandteilen der Zelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil eines Stegbereichs, der aus einer Masche des Streckmetalls besteht, als eine endlose Oberfläche ausgebildet ist, die in Bezug auf den Verbindungsbereich keine Abstufung aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form einer Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, bei Betrachtung aus der Breitenrichtung einer Abstufung der Masche im Wesentlichen hexagonal ist und eine polygonale Form annimmt, wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang einer Diagonale einer Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben wird.
Brennstoffzelle mit einer Zellenstruktur, in der eine Gasströmungsleitung aus einem Streckmetall besteht, das zwischen Bestandteilen der Zelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnungsform des Streckmetalls bei Betrachtung aus der Breitenrichtung einer Abstufung einer Masche im Wesentlichen hexagonal ist und eine polygonale Form annimmt, wenn ein Trapezoid, das durch Halbieren des Hexagons entlang einer Diagonale einer Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtung, in der eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in einer identischen Werkzeugvorschubrichtung über einer Mehrzahl von Öffnungen verschoben wird, die in einer Materialvorschubrichtung angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Anzahl der Öffnungen in der Materialvorschubrichtung, die in der identischen Werkzeugvorschubrichtung verschoben sind, in Bezug auf jede Position oder jeden Bereich des Streckmetalls verschieden sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben ist, in Bezug auf jede Position oder jeden Bereich des Streckmetalls verschieden ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Öffnungen, die durch die Maschen des Streckmetalls gebildet werden, bei Betrachtung aus der Breitenrichtung der Abstufung der Masche polygonal sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Position oder einen Bereich aufweist, wo der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben ist, entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderen Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der Materialvorschubrichtung angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontinuum der Öffnungen in einer Verschiebungsrichtung, die in der identischen Werkzeugvorschubrichtung verschoben sind, auf jeder Seite der Position oder des Bereiches unterbrochen ist, wo der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch das Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben ist, entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderen Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der Materialvorschubrichtung angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest entweder eine kontinuierliche Anzahl der Öffnungen in der Materialvorschubrichtung, die in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben sind, der Verschiebungsbetrag, um den eines der Trapezoide, das durch Halbieren des Hexagons der Öffnung, die durch die Masche des Streckmetalls gebildet wird, entlang der Diagonale der Werkzeugvorschubrichtung entsteht, relativ zu dem anderen Trapezoid in der Werkzeugvorschubrichtung verschoben ist, und/oder die Position oder der Bereich, in dem der Verschiebungsbetrag entweder null oder kleiner als der Verschiebungsbetrag in einer anderen Position oder einem anderen Bereich ist, der benachbart dazu in der Materialvorschubrichtung ist angeordnet ist, in einer jeweiligen von einer Mehrzahl der gestapelten Zellen variiert wird.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Abstufungsbreite und/oder eine Abstufungstiefe der Masche des Streckmetalls in der Materialvorschubrichtung verschieden sind, während eine Gesamtdicke derselben in der Materialvorschubrichtung festgelegt ist.