DE112014004569T5

DE112014004569T5 - Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112014004569T5
Application number: DE112014004569.1T
Authority: DE
Inventors: Norishige Konno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: CN105637689B; CN105637689A; JP5942955B2; JP2015072755A; US20160248104A1; US10468690B2; KR101885972B1; DE112014004569B4; KR20160050055A; WO2015049860A1

Abstract

Ein anodenseitiger Separator 120 enthält erste Rillen 202 und zweite Rillen 204, die alternierend ausgebildet werden, indem mehrere Streifen mit Gruben und Buckeln durch Pressformen in einem Zentralbereich des Separators 121 gegenüber einem Leistungserzeugungsbereich 112 einer MEGA 110 geschaffen werden. Erste Anschlussrillen 202t sind an einem oberen Rand des Separatorzentralbereichs 121 verlängert, in dem die ersten Rillen 202 und die zweiten Rillen 204 ausgebildet sind. Die ersten Anschlussrillen 202t enthalten eine eingedrückte Eckenaussparung 202tb, die in einem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs 121, in der Rillentiefe auf einer Brenngaszuführlochseite flacher gemacht wurde. Die eingedrückte Eckenaussparung 202tb verbindet zwischen den zweiten Rillen 204, die sich unterhalb der ersten Anschlussrillen 202t erstrecken, und dem Außenrandabschnitt 123.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator und eine Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist in einer Stapelstruktur geschaffen, bei der die die Brennstoffzelle bildenden Einheitszellen, die jede als eine Leistungserzeugungseinheit dient, in mehreren Schichten gestapelt sind. Jede der Einheitszellen weist eine Membranelektrodenanordnung auf, die von gegenüberliegenden Separatoren eingekeilt ist. In letzten Jahren wurde z. B. in der internationalen Veröffentlichungsschrift Nr. WO2012/160607 ein Verfahren zur Bildung eines Brenngas-Gasstrompfads und eines Kühlwasserstrompfads an Ober- und Unterseiten des Separators durch mehrere Streifen mit Gruben und Buckeln, die durch Pressformen oder durch mehrere hervorstehende Abschnitte hergestellt sind, in einem Separatorzentralbereich, gegenüber einem Leistungserzeugungsbereich der Membranelektrodenanordnung vorgeschlagen.
Der in der vorstehend zitierten Patentreferenz vorgeschlagene Kühlwasserstrompfad weist ein Kühlwasser auf, das durch die Höhenunterschiede zwischen den hervorstehenden Abschnitten und den ausgesparten-rillenartigen Unterabschnitten mit wechselnder Stromrichtung hindurchströmt. Auf diese Weise werden Streuung und Verteilung von Kühlwasser verbessert. Auf der anderen Seite, wenn das Kühlwasser durch Teile, die Höhenunterschiede aufweisen, wie z. B. die hervorstehenden Abschnitte oder die ausgesparten, rillenartigen Unterabschnitte bei wechselnder Stromrichtung hindurchströmt, kann sich der Strom des Kühlwassers stauen. Nach dem Starten eines Betriebs der Brennstoffzelle wird keine besondere Beanstandung erhoben, sogar wenn der Strom des Kühlwassers gestaut wurde, da das Kühlwasser bereits über den Kühlwasserstrompfad zugeführt wurde, so dass der Strompfad mit Kühlwasser gefüllt ist. Nachdem der Zusammenbau der Brennstoffzelle beendet wurde, wurde jedoch darauf hingewiesen, dass die folgenden neuen Probleme auftreten könnten, da Luft in dem Kühlwasserstrompfad verbleibt.
Wenn das Kühlwasser nach Beendigung des Zusammenbaus der Brennstoffzelle zugeführt wird, strömt das Kühlwasser eine Stromrichtung ändernd in einem luftdurchmischten Zustand durch. Abhängig davon, wie der Strom des Kühlwassers gestaut ist, kann die Luft deshalb in dem Strompfad verbleiben, ohne durch das Kühlwasser weggeschoben zu werden, und dann kann eine solche Luft bis zu einem vertikalen oberen Ende des Separatorzentralbereichs aufsteigen. Dies kann eine Luftansammlung bewirken. Obwohl solch eine Luftansammlung in einigen Fällen durch die Zuführung des Kühlwassers weggeschoben werden kann, nachdem ein Betrieb der Brennstoffzelle beginnt, wenn die Luftansammlung immer noch an dem oberen Ende des Separatorzentralbereichs verbleibt, wird die Kühlung an der Luftansammlung behindert. Da die vorstehend zitierte Patentreferenz die Möglichkeit einer Luftansammlung nicht in Erwägung zieht, gibt es einen Bedarf, die Luftansammlung an der oberen Endseite des Separatorzentralbereichs zu vermeiden. Außerdem gibt es den Bedarf, die Herstellungskosten für den Separator, der ausgesparte Rillen als einen Kühlwasserstrompfad aufweist, oder für die Brennstoffzelle zu senken.
Um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu erzielen, kann die vorliegende Erfindung in den folgenden Aspekten implementiert sein.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt ist ein Brennstoffzellenseparator geschaffen. Der Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt ist ein Brennstoffzellenseparator, der an einer Membranelektrodenanordnung angebracht ist, und eine erste Fläche und eine zweite Fläche als eine Rückseite der ersten Fläche aufweist. Der Brennstoffzellenseparator enthält einen Zentralbereich, der dem Leistungserzeugungsbefähigungsbereich der Membranelektrodenanordnung gegenüber angeordnet ist, einen Außenrandabschnitt, der sich von dem Zentralbereich bis zu dem Umfangsrandabschnitt des Zentralbereichs erstreckt, einen erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil, der mehrere Rillen enthält, die in dem Zentralbereich in der ersten Fläche ausgebildet sind; einen zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil, der mehrere Rillen enthält, die in dem Zentralbereich in der zweiten Fläche ausgebildet sind; und einen Luftauslassteil, der an einer oberen Endseite des Zentralbereichs in dem erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil ausgebildet ist, wobei der Luftauslassteil zwischen dem Zentralbereich und dem Außenrandabschnitt verbindet, und Luft innerhalb der Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils aus dem Zentralbereich zu dem Außenrandabschnitt zusammen mit dem Kühlwasser auslässt. Der Luftauslassteil ist an einer Stelle ausgebildet, wo sich Luft innerhalb der Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils an der oberen Endseite des Zentralbereichs wegen einer sich ändernden Stromrichtung des Kühlwassers, das durch den zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil hindurchströmt, sammeln kann. Sogar wenn Luft innerhalb der Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils an der oberen Endseite des Separatorzentralbereichs angesammelt wird, ermöglicht gemäß dem Brennstoffzellenseparator des ersten Aspekts, der Luftauslassteil, der an der Stelle geschaffen ist, wo eine Luftansammlung auftritt, der Luft zu dem Außenrandabschnitt ausgelassen zu werden, wodurch die Luftansammlung an der oberen Endseite des Separatorzentralbereichs vermieden wird.
Der Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt kann ferner enthalten: einen kühlwasserzuführseitigen Verteiler, der an dem Außenrandabschnitt, an einer Seite des Zentralbereichs in horizontaler Richtung angeordnet ist; und einen Kühlwassereinführteil, der dazu eingerichtet ist, Kühlwasser zu verstreuen und einzuführen, das aus dem kühlwasserzuführseitigen Verteiler in die einzelnen Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils mit wechselnder Stromrichtung des Kühlwassers zugeführt wird, wobei der Luftauslassteil an einem Zentralbereichseckenabschnitt ausgebildet sein kann, der an der oberen Endseite des Zentralbereichs und an der Seite des Kühlwassereinführteils angeordnet ist. Da das Kühlwasser durch den Kühlwassereinführteil eine Stromrichtung ändernd hindurchströmt, obwohl eine Luftansammlung an der oberen Seite des Kühlwassereinführteils auftreten kann, ermöglicht der Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt die Vermeidung einer weiteren Luftansammlung durch den Luftauslassteil, der an einem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs angeordnet ist.
Der Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt kann ferner einen brenngaszuführseitigen Verteiler enthalten, der dazu eingerichtet ist, Brenngas in die Rillen des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils zuzuführen, wobei der brenngaszuführseitige Verteiler an der Oberseite des kühlwasserzuführseitigen Verteilers in dem Außenrandabschnitt angeordnet ist. Da das Brenngas regulär in einem unverbrauchten Zustand in die Rillen des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils an der brenngaszuführseitigen Verteilerseite zugeführt wird, ermöglicht die Brennstoffzelle, die den Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt aufweist, dass eine elektrochemische Reaktion zur Leistungserzeugung beschleunigt wird, so dass Wärmeerzeugung aufgrund der elektrochemischen Reaktion stärker aktiviert wird. Gemäß dem Brennstoffzellenseparator des ersten Aspekts kann die brenngaszuführseitige Verteilerseite, die näher an dem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs ist, aufgrund der Vermeidung der Luftansammlung an dem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs, an der oberen Seite des Kühlwassereinführteils ausreichend gekühlt werden.
In dem Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt können die Rillen des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils und die Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils alternierend an der ersten Fläche und der zweiten Fläche in dem Zentralbereich durch Bildung mehrerer Streifen mit Gruben und Buckeln ausgebildet sein, die durch Pressformen des Zentralbereichs geschaffen sind, und der Luftauslassteil kann ein Unterwandaussparteil sein, wobei eine Unterwand des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils, die an der an dem oberen Ende des Zentralbereichs angeordnet ist, ausgespart ist. Da der Unterwandaussparteil als der Luftauslassteil gleichzeitig mit dem erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil und dem zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil durch Pressformen des Separatorzentralbereichs ausgebildet sein kann, können in diesem Fall die Herstellungskosten reduziert werden.
In dem Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt, kann der Kühlwassereinführteil flache Rillenabschnitte enthalten, die entlang des Pfads der erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteile verstreut sind, wobei die flachen Rillenabschnitte teilweise flacher in der Tiefe in dem erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil sind und gegenüber dem zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil alternierend an der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet sind. Da in diesem Fall das Kühlwasser zwischen den benachbarten zweitenflächenseitigen ausgesparten Rillenteilen neben den flachen Rillenabschnitten des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils vorbeiströmt, wird die Stromrichtung des Kühlwassers geändert, so dass dem Wassereinführteil ermöglich wird, das Kühlwasser in die Rillen der einzelnen zweitenflächenseitigen ausgesparten Rillenteile hinein zu streuen und einzuführen. Da die flachen Rillenabschnitte des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils darüber hinaus gleichzeitig mit jenen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils durch Pressformen des Separatorzentralbereichs ausgebildet sein können, können die Herstellungskosten reduziert werden.
In einem zweiten Aspekt ist eine Brennstoffzelle geschaffen, die mehrere gestapelte Einheitszellen aufweist. Bei der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt weist jede der Einheitszellen eine Membranelektrodenanordnung, die zwischen einem ersten Separator und einem zweiten Separator eingekeilt ist. Jede der Einheitszellen, die einen beliebigen der vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenseparatoren gemäß dem ersten Aspekt als dem ersten Separator enthält, wobei bei den benachbart gestapelten Einheitszellen die Unterwand des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils, der in dem ersten Separator einer der Einheitszellen enthalten ist, mit dem zweiten Separator der anderen Einheitszelle in Verbindung ist.
Da gemäß der Brennstoffzelle des zweiten Aspekts der erste Separator, der die Membranelektrodenanordnung einkeilt, die Vermeidung einer Luftansammlung an der oberen Endseite des Separatorzentralbereichs in den einzelnen Einheitszellen ermöglicht, kann Kühlfehlern aufgrund des Vorhandenseins einer Luftansammlung entgegengewirkt werden. Da gemäß der Brennstoffzelle des zweiten Aspekts der erste Separator, der den Luftauslassteil aufweist, durch einen anderen in der vorhanden Einheitszelle ersetzt werden kann, können seine Herstellungskosten reduziert werden und darüber hinaus können Kühlfehler aufgrund des Vorhandenseins einer Luftansammlung gelöst oder auf einfache Weise unterdrückt werden. Außerdem kann bei der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der erstflächenseitige ausgesparte Rillenteil in dem Separatorzentralbereich des ersten Separators hergestellt sein, um auch als ein Strompfad für das Gas zu dienen, das der Membranelektrodenanordnung zugeführt wird. Indem ferner die Unterwand des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils, der in dem ersten Separator einer Einheitszelle enthalten ist, außerhalb der Einheitszellen, die zueinander benachbart gestapelt sind, mit dem zweiten Separator der anderen Einheitszelle in Kontakt gebracht wird, kann der zweitflächenseitige ausgesparte Rillenteil verschlossen werden, so dass der verschlossene zweitflächenseitige ausgesparte Rillenteil hergestellt werden kann, um als ein Kühlwasserstrompfad zu dienen, der dem Kühlwasser ermöglicht, dadurch hindurchzuströmen.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Modi umgesetzt werden. Die Erfindung kann z. B. in solchen Modi umgesetzt werden, wie ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen oder eine Einheitszelle für Brennstoffzellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine skizzierte perspektivische Ansicht eines Aufbaus einer Brennstoffzelle 10 als eine Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine skizzierte Explosionsansicht, die einen Aufbau einer Einheitszelle 100 zeigt;
3 ist eine skizzierte Draufsicht, die den Aufbau eines anodenseitigen Separators 120 zeigt;
4 ist eine skizzierte perspektivische Ansicht, die in Vergrößerung einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in einem Kühlwasserzuführlochumgebungsbereich B ausgebildet sind, der in einem in 3 gezeigten Umkehrbereich A enthalten ist;
5 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in einem Brenngaszuführlochumgebungsbereich D, der in einem in 3 gezeigten Umkehrbereich A enthalten ist, ausgebildet sind, wie er in einer Draufsicht von einer Kühloberlächenseite her betrachtet wird und vergrößert ist;
6 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch einen Aspekt des Stroms des Kühlwassers an der Kühlflächenseite in dem anodenseitigen Separater 120 zeigt;
7 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in einem Eckabschnitt DC eines Separatorzentralbereichs 121 an einer Seite des Brenngaszuführlochs 122IN, die in 5 gezeigt ist, ausgebildet sind, wie sie in einer Draufsicht von der Kühlflächenseite her betrachtet wird und ferner vergrößert ist;
8 ist eine skizzierte perspektivische Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in dem Eckabschnitt DC des Separatorzentralbereichs 121 ausgebildet sind, wie er von der Kühlflächenseite her betrachtet wird und ferner vergrößert ist;
9 ist eine skizzierte Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 10, die entlang einer Linie 9-9 in der C-Teil-Vergrößerung in 3 dargestellt ist; und
10 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in dem Eckabschnitt DC des Separatorzentralbereichs 121 in einem Vergleichsbeispiel eines anodenseitigen Separators 120H ausgebildet sind, wie er in einer Draufsicht von der Kühlflächenseite her betrachtet wird und ferner vergrößert ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben. 1 ist eine skizzierte perspektivische Ansicht, die einen Aufbau einer Brennstoffzelle 10 als eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, in der Brennstoffzelleneinheitszellen 100 in mehreren Schichten in einer Z-Richtung (im Folgenden auch als „Stapelungsrichtung” bezeichnet) gestapelt sind, wobei die Einheitszellen zwischen einem Paar Endplatten 170F, 170E eingekeilt sind. Die Brennstoffzelle 10 weist eine vorderendseitige Anschlussplatte 160F auf, die mit einer vorderendseitigen Isolierplatte 165F zwischen der vorderendseitigen Endplatte 170F und den Einheitszellen 100 platziert ist. Die Brennstoffzelle 10 weist eine hinterendseitige Anschlussplatte 160E auf, die mit einer hinterendseitigen Isolierplatte 165E zwischen der hinterendseitigen Endplatte 170E und den Einheitszellen 100 platziert ist. Die Einheitszellen 100, die Anschlussplatten 160F und 160E, die Isolierplatten 165F und 165E und die Endplatten 170F und 170E weisen jeweils plattenähnliche Strukturen in einer ungefähr rechteckigen Form auf und sind so angeordnet, dass ihre längeren Seiten in einer X-Richtung (der horizontalen Richtung) und ihre kürzeren Seiten in einer Y-Richtung (der vertikalen Richtung) verlaufen.
Die Endplatte 170F, die Isolierplatte 165F und die Abschlussplatte 160F auf der Vorderendseite weisen jeweils ein Brenngaszuführloch 172IN, ein Brenngasabführloch 172OT, Oxidationsgaszuführlöcher 174IN, mehrere Oxidationsgasabführlöcher 174OT und mehrere Kühlwasserzuführlöcher 176IN und mehrere Kühlwasserabführlöcher 176OT auf. Diese Zuführlöcher und Abführlöcher sind mit (nicht dargestellten) Zuführlöchern und Abführlöchern verbunden, die an entsprechenden Positionen in den jeweiligen Einheitszellen 100 vorgesehen sind, so dass sie jeweils Zuführ-/Abführverteiler bilden. Auf der anderen Seite sind diese Zuführ-/Abführlöcher in den hinterendseitigen Endplatten 170E, den Isolierplatten 165E und den Anschlussplatten 160E auf der Hinterendseite nicht vorgesehen. Dies ist so, weil die Brennstoffzelle von einem solchen Typ ist, dass, während die reaktiven Gase (Brenngas, Oxidationsgas) und Kühlwasser von der vorderendseitigen Endplatte 170F zu den jeweiligen Einheitszellen 100 über die Zuführverteiler zugeführt werden, das Abgas und das abgeführte Wasser, die aus den einzelnen Einheitszellen 100 abgeleitet werden, aus der vorderendseitigen Endplatte 170F über den Abführverteiler zur Außenseite abgeführt werden. Die Art der Brennstoffzelle ist jedoch nicht darauf beschränkt, und kann in verschiedenen Arten vorliegen, beispielsweise die Art, bei der die reaktiven Gase und Kühlwasser von der vorderendseitigen Endplatte 170F zugeführt werden und die Abgase und abgeführtes Wasser durch die hinterendseitige Endplatte 170E zur Außenseite abgeführt werden.
Die mehreren Oxidationsgaszuführlöcher 174IN sind in der X-Richtung (der Längsrichtung) in einem Außenrandabschnitt an der vorderendseitigen Endplatte 170F unten angeordnet, während die Oxidationsgasabführlöcher 174OT in der X-Richtung in einem Außenrandabschnitt oben angeordnet ist. Das Brenngaszuführloch 172IN ist in einem in der Y-Richtung (der Kurzseitenrichtung) oberen Endteil in einem Außenrandabschnitt der vorderendseitigen Endplatte 170F rechts angeordnet, und das Brenngasabführloch 172OT ist in einem in Y-Richtung unteren Endteil in einem Außenrandabschnitt links angeordnet. Die mehreren Kühlwasserzuführlöcher 176IN sind in der Y-Richtung unterhalb des Brenngaszuführlochs 172IN angeordnet, und die Kühlwasserabführlöcher 176OT sind in der Y-Richtung oberhalb des Brenngasabführlochs 172OT angeordnet. Dann sind die oberen zwei Kühlwasserzuführlöcher 176IN aus der Anordnung der Kühlwasserzuführlöcher 176IN angeordnet, um den unteren zwei Kühlwasserzuführlöchern 176OT aus der Anordnung der Kühlwasserabführlöcher 176OT gegenüberliegend zu sein, so dass sich die Kühlwasserzuführlöcher 176IN und die Kühlwasserzuführlöcher 176OT in der Y-Richtung (Richtung nach oben/nach unten) mit dem dazwischen eingefügten Separatorzentralbereich 121 teilweise überlappen.
Die vorderendseitige Anschlussplatte 160F und die hinterendseitige Anschlussplatte 160E sind Stromabnehmerplatten zur Abnahme elektrischer Leistung von den jeweiligen Einheitszellen 100 und zur Abgabe abgenommener elektrischer Leistung zur Außenseite von nicht gezeigten Anschlüssen.
2 ist eine skizzierte perspektivische Explosionsansicht, die einen Aufbau einer Einheitszelle 100 zeigt. Wie in der Abbildung gezeigt, enthält die Einheitszelle 100 eine Membranelektroden- und Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) 110, einen anodenseitigen Separator 120, einen kathodenseitigen Separator 130, eine adhäsive Abdichtung 140, und ein Gasstrompfadelement 150, wo die Separatoren 120, 130, die Abdichtung 140 und das Element 150 angeordnet sind, um die MEGA 110 an beiden Seiten einzukeilen.
Die MEGA 110 ist ein Leistungserzeugungskörper, der eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einem Paar von Katalysatorelektrodenschichten enthält, die an beiden Seiten einer Elektrolytmembran ausgebildet sind, und wobei die MEA von Gasdiffusionsschichten (GDL) eingekeilt ist, die für eine Gasdiffusionsdurchlässigkeit vorgesehen sind. Man beachte, dass der Begriff MEGA in einigen Fällen hier als MEA bezeichnet werden kann.
Der anodenseitige Separator 120 und der kathodenseitige Separator 130, sind aus einem Material mit einer Gasundurchlässigkeitseigenschaft und Elektronenleitfähigkeit ausgebildet, beispielsweise aus einem Kohlenstoffmaterial, wie z. B. einem gasundurchlässigen, dichten Kohlenstoff, der durch Verdichten von Kohlenstoffpartikeln ausgebildet ist, um ihm eine Gasundurchlässigkeit zu verleihen, oder aus einem druckgeformten Metallmaterial, wie z. B. Edelstahl oder Titan. In dieser Ausführungsform wird der anodenseitige Separator 120 durch Druckformen von Edelstahl erzeugt.
Der anodenseitige Separator 120 weist mehrere gerillte Brenngasstrompfade auf der MEGA 110-seitigen Oberfläche als auch mehrere gerillte Kühlwasserstrompfade auf gegenseitiger Oberfläche, wobei beide Arten von Strompfaden auf der ober- und unterseitigen Oberfläche des Separators alternierend angeordnet sind. Diese Strompfade werden später beschrieben. Der anodenseitige Separator 120 enthält, als die vorstehend beschriebenen Zuführ-/Abrnbrlöcher, die den Verteiler ausbilden, ein Brenngaszuführloch 122IN und ein Brenngasabführloch 122OT, mehrere Oxidationsgaszuführlöcher 124IN und mehrere Oxidationsgasabführlöcher 124OT, und mehrere Kühlwasserzuführlöcher 126IN und mehrere Kühlwasserabführlöcher 126OT. In ähnlicher Weise enthält der kathodenseitige Separator 130 ein Brenngaszuführloch 132IN und ein Brenngasabführloch 132OT, mehrere Oxidationsgaszuführlöcher 134IN und mehrere Oxidationsgasabführlöcher 134OT und mehrere Kühlwasserzuführlöcher 136IN und mehrere Kühlwasserabführlöcher 136OT. Ferner enthält auch die adhäsive Abdichtung 140 in ähnlicher Weise, in Entsprechung zu den Zuführ-/Abführlöchern des anodenseitigen Separators 120, ein Brenngaszuführloch 142IN und ein Brenngasabführloch 142OT, mehrere Oxidationsgaszuführlöcher 144IN und mehrere Oxidationsgasabführlöcher 144OT und mehrere Kühlwasserzuführlöcher 146IN und mehrere Kühlwasserabführlöcher 146OT.
Die adhäsive Abdichtung 140, die aus einem Harz oder aus einem Gummi oder dergleichen mit Dichtungseigenschaften und Isolationseigenschaften ausgebildet ist, weist ein in ihrer Mitte ausgebildetes (nicht dargestelltes) Leistungserzeugungsbereichsfenster 141 auf, das der rechteckigen Form der MEGA 110 entspricht. Ein Umfangsrand des Leistungserzeugungsbereichsfensters 141 ist in einer Stufenspaltform ausgebildet, so dass die MEGA 110 zu der Stufenspaltform angepasst und an dieser befestigt werden muss. Die MEGA 110, die an dem Leistungserzeugungsbereichsfenster 141 befestigt ist, überlappt auf diese Weise mit der adhäsiven Abdichtung 140 an dem Stufenspaltabschnitt der adhäsiven Abdichtung 140, wo ein in dem Leistungserzeugungsbereichsfenster 141 freigelegter Bereich als ein Leistungserzeugungsbefähigungsbereich (nachstehend als „Leistungserzeugungsbereich”) 112 definiert ist, der eine Zufuhr von Brenngas aus dem später beschriebenem anodenseitigen Separator 120 aufnimmt, so dass zumindest ein Teil des Bereichs in die Lage versetzt wird, durch elektrochemische Reaktion eine Leistungserzeugung zu gewährleisten. Die adhäsive Abdichtung 140 weist die bereits beschriebenen Zuführ-/Abführlöcher in Bereichen um das Leistungserzeugungsbereichsfenster 141 herum, an das die MEGA 110 befestigt ist. Dadurch, dass die MEGA 110 an das Leistungserzeugungsbereichsfenster 141 befestigt ist, dichtet die adhäsive Abdichtung 140 den anodenseitigen Separator 120 und den kathodenseitigen Separator 130 mit deren enthaltenen Zuführ-/Abführlöchern ab. D. h. die adhäsive Abdichtung 140 dichtet nicht nur die MEGA 110 an dem Stufenspaltabschnitt in Abdeckung zu den Außenbereichen des Leistungserzeugungsbereichs 112 ab, sondern dichtet auch die äußere Umfangsfläche der rechteckigen Form der MEGA 110 zwischen dem anodenseitigen Separator 120 und dem kathodenseitigen Separator 130 ab. Außerdem enthält jeder der beiden, der anodenseitige und der separatorseitige Separator Brenngasabdichtungsmaterialien 300, Oxidationsgasabdichtungsmaterialien 301 und Kühlwasserabdichtungsmaterialien 302, wie in später beschriebener 3 gezeigt, um die Abdichtbarkeit der Zuführ-/Abführlöcher für das Brenngas, das Oxidationsgas bzw. das Kühlwasser an den Kreuzungsflächen zwischen den Separatoren sicherzustellen, wenn die Einheitszellen 100 gestapelt werden.
Das Gasstrompfadelement 150, das zwischen der MEGA 110 und dem kathodenseitigen Separator 130 mit der dazwischen angebrachten adhäsive Abdichtung 140 angeordnet ist, bildet Oxidationsgasstrompfade, die von den Oxidationsgaszuführlöchern 134IN zu den Oxidationsgasabführlöchern 134OT reichen. Dann weist das Gasstrompfadelement 150 obere und untere Enden des Materials, die sich erstrecken, um sich mit den oberen Enden der Oxidationsgaszuführlöcher 134IN und den unteren Enden der Oxidationsgasabführlöchern 134OT zu überlappen. Das Gasstrompfadelement 150 ermöglicht deshalb dem Oxidationsgas, das durch die Oxidationsgaszuführlöcher 134IN des kathodenseitigen Separators 130 zugeführt wird, aus dem unteren Ende des Materials hineingelassen zu werden, und lässt dann das hineingelassene Oxidationsgas entlang einer ebenen Richtung (Richtung der XY-Ebene) der MEGA 110 strömen. Das Gasstrompfadelement 150 führt überschüssiges Oxidationsgas aus dem oberen Ende des Materials zu den Oxidationsgasabführlöchern 134OT ab. Das Gasstrompfadelement 150, wie dieses, ist durch die Verwendung poröser Materialien ausgebildet, die eine hohe Gasdiffusionsdurchlässigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie z. B. ein poröses Metall (z. B. ein Streckmetall). Das Gasstrompfadelement 150 enthält an ihren oberen und unteren Enden, wie in 2, auch eine gasundurchlässige dünne Dichtungsblätter 151, wobei die Blätter mit oberen und unteren Endbereichen der MEGA 110 verbunden sind.
Der kathodenseitige Separator 130 ist in einer im Allgemeinen ebenen Form ausgebildet, einschließlich der Bereiche für die Ausbildung der bereits beschriebenen Zuführ-/Abführlöcher, und die Glieder 131 stehen aus der Rückseite der Abbildung der 2 in der Nähe der oberen und unteren Enden des Gasstrompfadelements 150 in 2 hervor. Diese Glieder 131 werden mit einem später beschriebenen Außenrandabschnitt 123 des anodenseitigen Separators 120 einer benachbarten Einheitszelle 100 in Kontakt gebracht, wenn die Einheitszellen 100 gestapelt sind. Dieser Aspekt wird später beschrieben.
3 ist eine skizzierte Draufsicht eines Ausbaus des anodenseitigen Separators 120. Diese 3 zeigt einen Zustand, wie er von einer Seite einer Oberfläche (nachstehend als „Kühlfläche” bezeichnet) gesehen wird, die einer weiteren Einheitszelle 100 zugewandt ist, die dem anodenseitigen Separator 120 benachbart ist. Eine dieser Kühlfläche gegenüberliegende Fläche, die der MEGA 110 zugewandt ist, wird als „Gasfläche” bezeichnet. Der anodenseitige Separator 120, der durch Pressformen von Edelstahl oder dergleichen ausgebildet ist, keilt in Zusammenarbeit mit dem kathodenseitigen Separator 130 die MEGA 110, mit, wie in 2. gezeigt, dazwischen angeordneter adhäsiver Abdichtung 140 und dem Gasstrompfadelement 150 ein. In diesem anodenseitigen Separator 120, sind mehrere erste Rillen 202 und mehrere zweite Rillen 204, die später beschrieben werden, alternierend und aufeinanderfolgend in dem Separatorzentralbereich 121 entgegengesetzt zu dem bereits beschriebenen Leistungserzeugungsbereich 112 der MEGA 110 nebeneinandergestellt. Der anodenseitige Separator 120 enthält in einem ebenen Außenrandabschnitt 123, der sich von dem Separatorzentralbereich 121 nach außen erstreckt, um den Zentralbereich zu umgeben, als die bereits beschriebenen Zuführ-/Abführlöcher für das reaktive Gas und Kühlwasser ein Brenngaszuführloch 122IN und ein Brenngasabführloch 122OT, mehrere Oxidationsgaszuführlöcher 124IN und mehrere Oxidationsgasabführlöcher 124OT und mehrere Kühlwasserzuführlöcher 126IN und mehrere Kühlwasserabführlöcher 126OT. Aus diesen Zuführ-/Abführlöchern werden das Brenngaszuführloch 122IN und das Brenngasabführloch 122OT durch die Brenngasabdichtungsmaterialien 300 einzeln abgedichtet, während die mehreren Oxidationsgaszuführlöcher 124IN und die mehreren Oxidationsgasabführlöcher 124OT auf der Basis der Lochanordnung durch die Oxidationsgasabdichtungsmaterialien 301 jeweils abgedichtet werden. Das Kühlwasserabdichtungsmaterial 302 umgibt auch einen Kühlwasserstrombereich, der mehrere Kühlwasserzuführlöcher 126IN und mehrere Kühlwasserabführlöcher 126OT enthält, als auch den kühlflächenseitigen Separatorzentralbereich 121, um den Kühlwasserstrombereich abzudichten. Solch eine Zuführ-/Abführloch-Abdichtung wird auch auf den kathodenseitigen Separator 130 angewendet.
Die ersten Rillen 202 sind ausgesparte Rillen, die an der bereits beschriebenen Gasflächenseite (ersten Fläche) des anodenseitigen Separators 120 ausgespart sind, d. h. an der Rückseite des Abbildungsblatts der 3, wobei sich die Rillen auf der Gasfläche erstrecken. Die zweiten Rillen 204 sind ausgesparte Rillen, die an der bereits beschriebenen Kühlflächenseite (zweite Fläche) des anodenseitigen Separators 120 ausgespart sind, d. h. an der Vorderseite des Abbildungsblatts der 3, wobei sich die Rillen auf der Kühlfläche erstrecken. Dann werden die ersten Rillen 202 und die zweiten Rillen 204 in mehreren Streifen mit Gruben und Buckeln durch Pressformen ausgebildet, bei dem eine den Gruben und Buckeln nachgebildete Metallform, die den zwei Rillenarten angepasst ist, gegen den Separatorzentralbereich 121 gepresst wird, so dass die zwei Arten von Rillen an der vorderen und hinteren Fläche (erste und zweite Fläche) des anodenseitigen Separators 120 in dem Separatorzentralbereich 121 alternierend und aufeinanderfolgend nebeneinandergestellt sind. D. h. der anodenseitige Separator 120 ist im Querschnitt zu einer Form mit Gruben und Buckeln ausgebildet (im Querschnitt gewellt), wobei die ersten Rillen 202 und die zweiten Rillen 204, wie in der länglichen Querschnittsansicht der 3 ersichtlich, alternierend und aufeinanderfolgend nebeneinandergestellt sind.
Die ersten Rillen 202, die an der Gasflächenseite ausgespart sind, bilden Brenngasstrompfadrillen (nachstehend als „Brenngasstrompfadrillen 202” bezeichnet) für die Zuführung des Brenngases zu der MEGA 110, die in dem Leistungserzeugungsbereichsfenster 141 der adhäsiven Abdichtung 140 freigelegt sind. Außerdem bilden die mehreren ersten Rillen 202 einen erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil aus. Die zweiten Rillen 204, die an der Kühlflächenseite ausgespart werden, bilden Rippen zur Aufteilung der Brenngasstrompfadrillen 202 aus und bilden darüber hinaus Kühlwasserstrompfadrillen (nachstehend als „Kühlwasserstrompfadrillen 204” bezeichnet) aus, um aufgrund des Kontakts des anodenseitigen Separators 120 mit dem später beschriebenen kathodenseitigen Separator 130 dem Kühlwasser zu ermöglichen, durch sie hindurchzuströmen. Außerdem bilden die mehreren zweiten Rillen 204 einen zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil aus. Dann wird an der bereits beschriebenen Gasflächenseite, an der Rückseite des Abbildungsblatts der 3 in einer serpentinenartigen Form ein aus den mehreren Brenngasstrompfadrillen 202 ausgebildeter Brenngasstrompfad 200 ausgebildet, der von dem Brenngaszuführloch 122IN bis zu dem Brenngasabführloch 122OT reicht. In den Einheitszellen 100 dieser Ausführungsform erstrecken sich in dem serpentinenartig ausgebildeten Brenngasstrompfad 200 die Brenngasstrompfadrillen 202, die an den oberen und unteren Endseiten des in 3 gezeigten Separatorzentralbereichs 121 angeordnet sind, entlang der linken/rechten Richtung des Separatorzentralbereichs 121, d. h. der x-Richtung in 3, an der Seite des Außenrandabschnitts 123. In diesem Fall, wenn der Separatorzentralbereich 121 dem Leistungserzeugungsbereich 112 der MEGA 110 gegenüberliegt, kann das Brenngas auch zu den an Außenumfangskanten des Leistungserzeugungsbereichs 112 aus den Brenngasstrompfadrillen 202 zugeführt werden, die sich in die linke/rechte Richtung des Separatorzentralbereichs 121 an der Seite des Außenrandabschnitts 123 erstrecken. Man beachte, dass, wie in der C-Teil-Vergrößerung der 3 gezeigt, auf die ersten Rillen 202, die an den oberen und unteren Anschlussendseiten des Separatorzentralbereichs 121 angeordnet sind und die sich in die linke/rechte Richtung des Separatorzentralbereichs 121 an der Seite des Außenrandabschnitts 123 erstrecken, als erste Anschlussrillen 202t Bezug genommen wird, um sie von den erste Rillen 202 zu unterscheiden, die innerhalb des Separatorzentralbereichs 121 angeordnet sind.
Die Brenngasstrompfadrillen 202, die in die serpentinenartig ausgebildete Rillenpfade geformt sind, werden in dem rechten und linken horizontalen Endseitenumkehrbereich A des Separatorzentralbereichs 121, der in 3 gezeigt ist, in der Rillenpfadrichtung von der x-Richtung zu der y-Richtung oder umgekehrt von der x-Richtung zu der y-Richtung geändert und darüber hinaus in den Umgebungen des Brenngaszuführlochs 122IN und des Brenngasabführlochs 122OT in der Rillenpfadrichtung zu den geneigten Umgebungen geändert. Dann fungieren die ersten Rillen 202, die die Umkehrbereiche A enthalten, als Rippen zur Aufteilung der Kühlwasserstrompfadrillen 204 an der Kühlflächenseite in dem geradlinigen Strompfadbereich, der sich in die x-Richtung erstreckt. Obwohl die Brenngasstrompfadrillen 202 als Rippen zur Aufteilung der Kühlwasserstrompfadrillen 204 an der Kühlflächenseite in dem geradlinigen Strompfadbereich, der sich in die x-Richtung erstreckt, fungieren, behindern sie nicht den Kühlwasserstrom an den zweiten Rillen 204, der in Richtung der Kühlwasserabführlöcher 126OT gerichtet ist. In den Umkehrbereichen A, in denen die Rillenpfadrichtung geändert wird, dienen die Brenngasstrompfadrillen 202 als Wände, die den Kühlwasserstrom behindern können, der aus den Kühlwasserzuführlöchern 126IN in Richtung der Kühlwasserabführlöcher 126OT gerichtet ist. Deshalb sind zur Vorbeugung der Behinderung, die Brenngasstrompfadrillen 202 in jenen Bereichen mit einem vorstehend beschriebenen Aufbau versehen.
4 ist eine skizzierte perspektivische Ansicht, die in Vergrößerung einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in einem Kühlwasserzuführlochumgebungsbereich B ausgebildet sind, der in einem in 3 gezeigten Umkehrbereich A enthalten ist. In 4 ist die Vorderseite des Abbildungsblatts die Kühlflächenseite, während die Rückseite des Abbildungsblatts die Gasflächenseite ist. In den Brenngasstrompfadrillen 202, die entlang der y-Richtung ausgebildet sind, sind flache Rillenabschnitte 208 verstreut ausgebildet. Die flachen Rillenabschnitte 208 sind in der Tiefe flachere Abschnitte als die anderen Abschnitte (auf die als die tiefen Rillenabschnitte 206 Bezug genommen wird). Man beachte, dass der Begriff Tiefe einer Brenngasstrompfadrille 202 sich hier auf eine Distanz bezieht, die von einer Position ihres Kontakts mit der MEGA 110 in der Gasfläche des anodenseitigen Separators 120 bis zu einer Unterseite der Brenngasstrompfadrille 202 reicht. Obwohl die Tiefe der Brenngasstrompfadrillen 202 in Abschnitten der tiefen Rillenabschnitte 206 tiefer und an Abschnitten der flachen Rillenabschnitte 208 flacher ist, sind dementsprechend die tiefen Rillenabschnitte 206 und die flachen Rillenabschnitte 208, die entlang der Rillenpfade der Brenngasstrompfadrillen 202 in der Umkehrbereiche A der 3 alternierend und aufeinanderfolgen nebeneinandergestellt sind, dennoch beide ohne Kontakt mit der MEGA 110. Somit ermöglichen die Brenngasstrompfadrillen 202 dem Brenngas entlang der Strompfadrillenverläufe sogar in den Umkehrbereichen A der 3 dadurch hindurchzuströmen. In diesem Fall sind die tiefen Rillenabschnitte 206 in den Strompfadrillenverläufen (Brenngasstrompfad 200; siehe 3) bis auf in den Umkehrbereichen A in ihrer Tiefe den Brenngasstrompfadrillen 202 gleich eingestellt.
Ebenso ist in der Brennstoffzelle 10, bei der mehrere Einheitszellen 100 gestapelt sind (siehe 1 und 2), der anodenseitige Separator 120 so angeordnet, dass die Außenumfangsflächen, d. h. die Abdichtungsflächen in 4 der Unterwände 202s der einzelnen tiefen Rillenabschnitte 206 mit der Fläche des kathodenseitigen Separators 130 einer benachbarten Einheitszelle 100 in Kontakt gesetzt werden, aber ohne Kontakt mit dem kathodenseitigen Separator 130 an den Positionen des flachen Rillenabschnitts 208 gehalten werden. Infolgedessen sind an der Kühlflächenseite, an den Positionen der flachen Rillenabschnitte 208 in dem anodenseitigen Separator 120 mehrere verbindende Strompfadrillen 205 gegen die Fläche des kathodenseitigen Separators 130 ausgebildet, so dass zwei Kühlwasserstrompfadrillen 204, die mit den flachen Rillenabschnitten 208 benachbart sind, die dazwischen eingefügt sind, in Verbindung sind. Diese verbindenden Strompfadrillen 205 kreuzen die Kühlwasserstrompfadrillen 204, die sich in die y-Richtung von der Seite der Kühlwasserzuführlöcher 126IN erstrecken. Mit diesem Aufbau wird dem Kühlwasser ermöglicht, nicht nur in die y-Richtung entlang der Kühlwasserstrompfadrillen 204 sondern auch in die x-Richtung über die verbindenden Strompfadrillen 205 zu strömen. D. h., da die verbindenden Strompfadrillen 205 dem Kühlwasser ermöglichen, in ihren benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 hindurchzuströmen, findet eine Zirkulation des Kühlwassers zwischen den benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 statt. Infolgedessen strömt Kühlwasser, das durch die Kühlwasserstrompfadrillen 204 strömt, die sich entlang der x-Richtung in den Umkehrbereiche A erstrecken, entlang der Kühlwasserstrompfadrillen 204 oder über die benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204, ohne das es durch die Brenngasstrompfadrillen 202, die sich entlang der y-Richtung erstrecken, unterbrochen wird. Die Kühlwasserstrompfadrillen 204, die sich in die y-Richtung in dem Kühlwasserzuführlochumgebungsbereich B erstrecken, der in 4 gezeigt ist, kehren dann um, um sich in die x-Richtung zu erstrecken, wie in 3 gezeigt, wodurch sie dem Kühlwasser ermöglichen, entlang der Rillenpfade in dem Ausdehnungsbereich in die x-Richtung zu strömen.
Obwohl sie nicht gezeigt sind, sind die flachen Rillenabschnitte 208 in den Brenngasstrompfadrillen 202, die sich in den in 3 gezeigten Umkehrbereichen A in die x-Richtung erstrecken, in ähnlicher Weise verstreut ausgebildet. Infolgedessen wird der Kühlwasserstrom, der in den Kühlwasserstrompfadrillen 204 parallel zu den Brenngasstrompfadrillen 202 strömt, die sich entlang der y-Richtung erstrecken, nicht durch die Brenngasstrompfadrillen 202 unterbrochen, die sich entlang der x-Richtung erstrecken. Darüber hinaus werden die flachen Rillenabschnitte 208 nicht nur in den Brenngasstrompfadrillen 202, die sich entlang der x-Richtung und der y-Richtung erstrecken, in ähnlicher Weise verstreut ausgebildet, sondern auch in den Brenngasstrompfadrillen 202, die umkehren, um in die Rillenpfadrichtung bezüglich der x-Richtung und der y-Richtung in den Umkehrbereichen A schräg zu sein. Infolgedessen wird der Kühlwasserstrom, der in den Kühlwasserstrompfadrillen 204 parallel zu den Brenngasstrompfadrillen 202 strömt, deren Rillenpfadrichtungen sich schräg zu der x-Richtung und der y-Richtung erstrecken, durch die Brenngasstrompfadrillen 202 nicht unterbrochen, die sich schräg in beidseitigen Nachbarbereichen der Kühlwasserstrompfadrillen 204 erstrecken. Der anodenseitige Separator 120 ermöglicht somit dem Kühlwasser, das aus den Kühlwasserzuführlöchern 126IN zugeführt wird, in Richtung der Kühlwasserabführlöcher 126OT zu strömen, ohne durch die Brenngasstrompfadrillen 202 unterbrochen zu werden, die sich entlang der x-Richtung oder der y-Richtung erstrecken. D. h. das Kühlwasser strömt als Folge des Zusammenfließens des Kühlwassers, das durch die Kühlwasserstrompfadrillen 204 strömt, und des Kühlwassers, das durch die Brenngasstrompfadrillen 202 strömt, nicht nur über den Kühlwasserzuführlochumgebungsbereich B, sondern auch über die gesamten Umkehrbereiche A, während die Stromrichtung des Kühlwassers geändert wird.
Der anodenseitige Separator 120 weist die Brenngasstrompfadrillen 202 auf, in denen die tiefen Rillenabschnitte 206 und die flachen Rillenabschnitte 208 entlang der Rillenpfade in den Umkehrbereichen A der 3 alternierend und aufeinanderfolgend nebeneinandergestellt sind. Unterdessen werden in den geradlinigen Pfadverläufen der serpentinenförmigen Rillenpfade in der x-Richtung der 3 andere Brenngasstrompfadrillen 202, einschließlich der ersten Anschlussrillen 202t an der Gasflächenseite, als auch der Kühlwasserstrompfadrillen 204 an der Kühlwasserseite in dem anodenseitigen Separator 120, in einfache ausgesparte Rillenformen ausgebildet.
Wie in 4 gezeigt, enthält der anodenseitige Separator 120 auch hervorstehende Leitabschnitte 127 und einen hervorstehenden Zwischenzuführlochabschnitt 128. Jeder hervorstehende Leitabschnitt 127 ist bezüglich dem Separatorzentralbereich 121 geneigt, um in Richtung der Kühlflächenseite hervorzustehen, und weist eine eben geformte Oberfläche zwischen den Kühlwasserzuführlöchern 126IN und dem Separatorzentralbereich 121 (siehe 3) auf. Der hervorstehende Zwischenzuführlochabschnitt 128 steht dergestalt hervor, um sich von den hervorstehenden Leitabschnitten 127 bis zu zwischen den Zuführlöchern zu erstrecken, wobei er eine eben geformte Oberseite aufweist. Diese hervorstehenden Leitabschnitte 127 und der hervorstehende Zwischenzuführlochabschnitt 128 stehen in Richtung der Kühlflächenseite hervor, so dass ihre Oberseiten in der Höhe mit den Unterwänden 202s der tiefen Rillenabschnitte 206 gleich werden. Durch den Kontakt des anodenseitigen Separators 120 mit dem später beschriebenen kathodenseitigen Separator 130, sind die Oberseiten der hervorstehenden Leitabschnitte 127 und des hervorstehenden Zwischenzuführlochabschnitts 128 im engen Kontakt mit dem kathodenseitigen Separator 130, um einen Kühlwasserströmungsbereich zwischen den zwei Separatoren auszubilden, wobei sie dessen Strömungsregulierungsfunktion erfüllen, während sie das Kühlwasser leiten, das aus den Kühlwasserzuführlöchern 126IN abgeleitet wird, und sie das Kühlwasser in den Kühlwasserstrompfadrillen 204 und den verbindenden Strompfadrillen 205 leiten.
5 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in einem Brenngaszuführlochumgebungsbereich D, der in einem in 3 gezeigten Umkehrbereich A enthalten ist, ausgebildet sind, wie er in einer Draufsicht von einer Kühloberflächenseite her betrachtet wird und vergrößert ist. Auch in dieser 5, ist die dem Abbildungsblatt zugewandte Seite die Kühlflächenseite während die dem Abbildungsblatt abgewandte Seite die Gasflächenseite ist.
Wie in 5 gezeigt, sind in einem Brenngaseinlassseitenbereich, der sich mit dem Brenngaszuführloch 122IN verbindet, die Brenngasstrompfadrillen 202 in dem Separatorzentralbereich 121 (siehe 3) aus einem internen Strompfadteil 210, der sich horizontal (in die x-Richtung) erstreckt, einem verbindenden Strompfadteil 220 und einem einführenden Strompfadteil 230 zusammengesetzt. Der einführende Strompfadteil 230 ist ein Strompfadbereich, der sich mit dem Brenngaszuführloch 122IN verbindet. Der verbindende Strompfadteil 220 ist ein Strompfadbereich für die Zuführung von Brenngas, das von dem Brenngaszuführloch 122IN über den einführenden Strompfadteil 230 zu den jeweiligen Gasströmungspfaden des internen Strompfadteils 210 herauf strömte, wobei der verbindende Strompfadteil 220 ein Strompfadbereich ist, der sich, wie in der Abbildung gezeigt, in die x-Richtung erstreckt, dann geneigt ist und sich wieder in die x-Richtung erstreckt. D. h. der verbindende Strompfadteil 220 besteht aus einem ersten verbindenden Strompfadteil 200b, der sich in die x-Richtung erstreckt, um sich mit einem Brenngasstrompfadteil 200a zu verbinden, der aus den Brenngasstrompfadrillen 202 gebildet ist, die zu dem internen Strompfadteil 210 gehören; einem geneigten zweiten verbindenden Strompfadteil 200c, der sich mit dem ersten verbindenden Strompfadteil 200b verbindet; einem dritten verbindenden Strompfadteil 200d, der sich in die x-Richtung erstreckt, um sich mit dem zweiten verbindenden Strompfadteil 200c zu verbinden; und aus Grenzstrompfadrillen 202e für die Verbindung des dritten verbindenden Strompfadteils 200d mit dem einführenden Strompfadteil 230.
Der erste verbindende Strompfadteil 200b ist aus mehreren ersten verbindenden Strompfadrillen 202b gebildet, die sich mit mehreren Brenngasstrompfadrillen 202a des Brenngasstrompfadteils 200a verbinden und sich in die x-Richtung erstrecken. Der zweite verbindende Strompfadteil 200c ist aus mehreren zweiten verbindenden Strompfadrillen 202c gebildet (nachstehend auch als geneigter Gasstrompfadrillenteil 202c genannt), die sich entlang einer Richtung nach unten erstrecken, die von den ersten verbindenden Strompfadrillen 202b in Richtung der Gravitationsrichtung geneigt sind. Diese zweiten verbindenden Strompfadrillen 202c erstrecken sich vorzugsweise entlang einer Richtung nach unten, die bezüglich der Gravitationsrichtung geneigt ist (z. B. einer schrägen Richtung nach unten), aber können sich in die Gravitationsrichtung erstrecken. Der dritte verbindende Strompfadteil 200d wird aus mehreren dritten verbindenden Strompfadrillen 202d gebildet, die sich mit den Grenzstrompfadrillen 202e und den zweiten verbinden Strompfadrillen 202c verbinden, und die sich in die x-Richtung erstrecken. Die Grenzstrompfadrillen 202e sind aus Rillen ausgebildet, die sich entlang der y-Richtung an einem Grenzbereich zwischen dem dritten verbindenden Strompfadteil 200d und dem einführenden Strompfadteil 230 erstrecken. Außerdem enthalten die einzelnen verbindenden Strompfadrillen 202b, 202c, 202d, die den verbindenden Strompfadteil 220 bilden, jede tiefe Rillenabschnitte 206 und flache Rillenabschnitte 208, die, wie bei den in 4 gezeigten Brenngasstrompfadrillen, verstreut und alternierend entlang ihrer jeweiligen Rillenpfade geschaffen sind, und verbindende Strompfadrillen, die zu den verbindenden Strompfadrillen 205 aus 4 äquivalent sind, um dem Kühlwasser zu ermöglichen, an der Kühlflächenseite zu strömen, sind aus benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 gebildet.
Der einführende Strompfadteil 230 besteht aus einem ersten einführenden Strompfadteil 230A, der sich mit den Grenzstrompfadrillen 202e verbindet, und einem zweiten einführenden Strompfadteil 230B, der sich mit dem ersten einführenden Strompfadteil 230A verbindet, und aus dem Brenngaszuführloch 122IN. Diese einführenden Strompfadteile 230A, 230B sind zwischen einer Dichtungsplatte 129, die gegen die Gasfläche des anodenseitigen Separators 120 platziert ist, und dem anodenseitigen Separator 120 ausgebildet. Der erste einführende Strompfadteil 230A ist aus mehreren ersten Ableitungsstrompfadrillen 232A gebildet, die die Grenzstrompfadrillen 202e verbinden und die im Allgemeinen kammzahnartige Strompfade ausbilden. Ebenso ist der zweite einführende Strompfadteil 230B aus im Allgemeinen kammzahnartigen hervorstehenden Abschnitten 234B gebildet, die in der Dichtungsplatte 129 ausgebildet sind, um im Allgemeinen kammzahnartige Strompfade auszubilden.
Obwohl ihre Darstellung und Beschreibung ausgelassen sind, ist ein auslassseitiger Bereich, der sich mit dem Brenngasabführloch 122OT aus dem Brenngasstrompfad 200 verbindet, auch aus einem einführenden Strompfadteil, das sich mit dem Brenngasabführloch 122OT verbindet, und einem verbindenden Strompfadteil zwischen dem einführenden Strompfadteil und dem internen Strompfadteil, wie im Falle des einlassseitigen Bereichs, gebildet.
Die Kühlwasserstrompfadrillen 204 sind zwischen den vorstehend beschriebenen Brenngasstrompfadteilen 200a bis 202d ausgebildet, und die scheinbar geschlossenen Kühlwasserstrompfadrillen 204 sind entlang der Rillenpfadrichtung in dem Bereich zur Bildung der zweiten verbindenden Strompfadrillen 202c ausgebildet. Da jedoch zahlreiche verbindende Strompfadrillen 205, die den Durchfluss von Kühlwasser erlauben, aus tiefen Rillenabschnitten 206 und flachen Rillenabschnitten 208 in den jeweiligen Brenngasstrompfadrillen 202, wie in 4 beschrieben, in benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 ausgebildet sind, strömt das Kühlwasser und strömt in die Kühlwasserstrompfadrillen 204 ein, die in der Rillenpfadrichtung durch den Durchgang zwischen benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 geschlossen sind, wodurch es entlang der Kühlwasserstrompfadrillen strömt.
Da der anodenseitige Separator 120 dieser Ausführungsform in den beiden linken/rechten Anschlussumkehrbereichen A des Separatorzentralbereichs 121, der in 3 gezeigt ist, einen gerillten Aufbau aufweist, der unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben ist, strömt das Kühlwasser wie folgt über den Bereich von den Kühlwasserzuführlöchern 126IN zu den Kühlwasserabführlöchern 126OT. 6 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch einen Aspekt des Stroms des Kühlwassers an der Kühlfläche in dem anodenseitigen Separator 120 zeigt. Wie in der Abbildung gezeigt, strömt das Kühlwasser, das aus den einzelnen Zuführlöchern der Kühlwasserzuführlöcher 126IN zugeführt wird, über die verbindenden Strompfadrillen 205 in die Kühlwasserstrompfadrillen 204 des zuführlochseitigen Umkehrbereichs A ein. Der Strom des Kühlwassers wird in diesem Fall der Stromregelung an den hervorstehenden Leitabschnitten 127 und dem hervorstehenden Zwischenzuführlochabschnitt 128 (siehe 4) ausgesetzt, um einen Strom zu bilden, der von den Kühlwasserzuführlöchern 126IN, die, wie in der Abbildung ersichtlich, an der rechten unteren Endseite des anodenseitigen Separators 120 angeordnet sind, im Allgemeinen schräg nach oben gerichtet ist.
Da die verbindenden Strompfadrillen 205 in den Umkehrbereichen A (siehe 4) ausgebildet sind, um dem Kühlwasser zu gewähren, zwischen benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 hindurchzuströmen, kehrt der Strom des Kühlwassers als Ganzes in die horizontale Richtung um, die in dem Umkehrbereich A in Richtung der Kühlwasserabführlöcher 126OT gerichtet ist. D. h. der anodenseitige Separator 120 ruft aufgrund der verbindenden Strompfadrillen 205 als Folge einer verstreuten Anordnung der tiefen Rillenabschnitte 206 und der flachen Rillenabschnitte 208 den vorstehend beschriebenen Kühlwasserstrom hervor. Für die Einführung von Kühlwasser aus den Kühlwasserzuführlöchern 126IN in die einzelnen Kühlwasserstrompfadrillen 204 hinein, die sich horizontal über eine auf- und absteigende Weite des Separatorzentralbereichs 121 (siehe 3) erstreckt, verstreut und führt der anodenseitige Separator 120 darüber hinaus in dem Umkehrbereich A an der Seite der Brenngaszuführlöcher 122IN das Kühlwasser, das aus den Kühlwasserzuführlöcher 126IN des Außenrandabschnitts 123 zugeführt wird, in die einzelnen Rillen der Kühlwasserstrompfadrillen 204, während das Kühlwasser, durch die hervorstehenden Leitabschnitte 127 und den hervorstehenden Zwischenzuführlochabschnitt 128 in ihrer Stromrichtung geändert wird, wobei die tiefen Rillenabschnitte 206 und die flachen Rillenabschnitte 208 in den Brenngasstrompfadrillen 202 verstreut angeordnet sind. In diesem Fall finden Ströme von Kühlwasser, die in Richtung des oberen Endes des Separatorzentralbereichs 121 gerichtet sind, in Umgebungen des Eckabschnitts des Separatorzentralbereichs 121 auf der Seite des Brenngaszuführlochs 122IN statt, d. h. an dem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs an der oberen Endseite des Separatorzentralbereichs 121 und darüber hinaus an der Seite der Kühlwasserzuführlöcher 126IN.
In dem Brenngasstrompfad 200, der dem Umkehrbereich A auf der Seite der Kühlwasserzuführlöcher 126IN folgt, erstrecken sich die einzelnen Brenngasstrompfadrillen 202, die den Strompfad bilden, wie in der Abbildung, entlang der horizontalen Richtung (x-Richtung). Folglich strömt das Kühlwasser, das in dem Umkehrbereich A in die horizontale Richtung umgekehrt ist, horizontal entlang der Brenngasstrompfadrillen 202. Dann wird in dem Umkehrbereich A an der Seite der Kühlwasserabführlöcher 126OT die Stromrichtung des Kühlwassers als Ganzes durch die bereits beschriebenen verbindenden Strompfadrillen 205 von der horizontalen Richtung in die Richtungen der einzelnen Kühlwasserabführlöcher 126OT umgekehrt. Der anodenseitige Separator 120 leitet das Kühlwasser aus dem Inneren der Rillen der Kühlwasserstrompfadrillen 204 zu dem Brenngasabführloch 122OT, während er das Kühlwasser einer Regulierung durch die hervorstehenden Leitabschnitte 127 und den hervorstehenden Zwischenzuführlochabschnitt 128 (siehe 4) aussetzt.
Als Nächstes wird ein Strompfadaufbau in dem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs 121 an der Seite der Brenngaszuführlöcher 122IN im Einzelnen beschrieben. 7 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in dem Eckabschnitt DC des Separatorzentralbereichs 121 an einer Seite des Brenngaszuführlochs 122IN, die in 5 gezeigt ist, ausgebildet sind, wie sie in einer Draufsicht von der Kühlflächenseite her betrachtet wird und ferner vergrößert ist. 8 ist eine skizzierte perspektivische Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in dem Eckabschnitt DC des Separatorzentralbereichs 121 ausgebildet sind, wie er von der Kühlflächenseite her betrachtet wird und ferner vergrößert ist.
Wie in den Abbildungen gezeigt, weist der anodenseitige Separator 120 eine eingedrückte Eckenaussparung 202tb in den ersten Anschlussrillen 202t, die sich an dem oberen Ende des Separatorzentralbereichs 121 in die horizontale Richtung (x-Richtung) erstrecken. Diese eingedrückte Eckenaussparung 202tb ist, wie in den Brenngasstrompfadrillen 202 geschaffenen flachen Rillenabschnitten 208, in der Tiefe flacher als andere Abschnitte der ersten Anschlussrillen 202t eingestellt. Die in der Tiefe flacheren flachen Rillenabschnitte 208 in der 7 und die eingedrückte Eckenaussparung 202tb sind mit ihren schraffierten Positionen gezeigt. Da die eingedrückte Eckenaussparung 202tb, wie bei den flachen Rillenabschnitten 208, von einem Kontakt mit der MEGA 110 abgehalten wird, ermöglichen die gasflächenseitigen ersten Anschlussrillen 202t dann dem Brenngas dadurch in die x-Richtung entlang der Strompfadrillenverläufe hindurchzuströmen. Der anodenseitige Separator 120 hält auch die Außenumfangsfläche, d. h. die Abdichtungsfläche in dem Fall der 8 der eingedrückten Eckenaussparung 202tb, wie bei den flachen Rillenabschnitten 208, von einem Kontakt mit dem kathodenseitigen Separator 130 ab. Dementsprechend stellt die eingedrückte Eckenaussparung 202tb Verbindungen zwischen den Kühlwasserstrompfadrillen 204, die sich in die x-Richtung unter den ersten Anschlussrillen 202t in 7 erstrecken, und dem Außenrandabschnitt 123, der von den ersten Anschlussrillen 202t nach oben gerichtet angeordnet ist. Infolgedessen wird dem Kühlwasser, das in die Kühlwasserstrompfadrillen 204 hineingeströmt ist, die unterhalb der ersten Anschlussrillen 202t angeordnet sind, nachdem es durch die eingedrückte Eckenaussparung 202tb hindurchgeströmt ist, zu der Seite des Außenrandabschnitts 123 des Außenrands des Separatorzentralbereichs 121 hindurchzuströmen.
Als Nächstes wird beschrieben, auf welche Weise die Einheitszellen 100 in der Brennstoffzelle 10 gestapelt sind. 9 ist eine skizzierte Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 10, die entlang einer Linie 9-9 in der C-Teil-Vergrößerung in 3 dargestellt ist. Wie in der Abbildung gezeigt, wird die Brennstoffzelle 10 durch Stapeln mehrerer Einheitszellen 100 hergestellt, bei denen jede Einheitszelle 100 die MEGA 110 aufweist, die durch den anodenseitigen Separator 120 und den kathodenseitigen Separator 130 eingekeilt ist. In dieser 9 ist die MEGA 110 in einem Aspekt gezeigt, bei dem eine MEA 110D, die katalytische Elektrodenschichten aufweist, die an beiden Membranflächen einer Elektrolytmembran verbunden sind, durch eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 110A und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 110C eingekeilt ist. Dann ist bei jeder Einheitszelle 100 der Außenrandabschnitt 123 (siehe 2 und 3), der in dem anodenseitigen Separator 120 enthalten ist, um sich von dem Separatorzentralbereich 121 nach außen zu erstrecken, an Außenumfangskanten des Leistungserzeugungsbereichs 112 (siehe 2 und 3) der MEGA 110 mit der MEGA 110 verbunden. Ebenfalls in jeder Einheitszelle 100 ist der Separatorzentralbereich 121 mit den ersten Rillen 202 und den zweiten Rillen 204, die bereits darin ausgebildet sind, dem Leistungserzeugungsbereich 112 der MEGA 110 gegenüberliegend angeordnet und mit ihm verbunden. Infolgedessen sind die ersten Anschlussrillen 202t und die ersten Rillen 202 anderer Stellen an ihren ausgesparten Rillenöffnungsenden durch die MEGA 110 verschlossen, wodurch sie, wie die Brenngasstrompfadrillen 202 funktionieren, die sich, wie bereits beschrieben, erstrecken.
Im Hinblick auf die Einheitszellen 100, die gestapelt sind, um zueinander benachbart zu sein, werden die Unterwände 202s der ersten Rillen 202 des anodenseitigen Separators 120 in einer Einheitszelle 100 mit dem kathodenseitigen Separator 130 in der anderen Einheitszelle 100 in Kontakt gebracht. Infolgedessen sind die zweiten Rillen 204 an ihren ausgesparten Rillenöffnungsenden verschlossen, wodurch sie, wie die Kühlwasserstrompfadrillen 204 funktionieren, die sich, wie bereits beschrieben, erstrecken. Ebenso im Hinblick auf Einheitszellen 100, die gestapelt sind, um zueinander benachbart zu sein, werden die Glieder 131 des kathodenseitigen Separators 130 in einer Einheitszelle 100 mit dem Außenrandabschnitt 123 des anodenseitigen Separators 120 in der anderen Einheitszelle 100 in Kontakt gebracht. Infolgedessen funktionieren die Glieder 131 als Stütze der einzelnen Einheitszellen 100 an dem Außenrandabschnitt 123 des anodenseitigen Separators 120. Darüber hinaus im Hinblick auf Einheitszellen 100, die gestapelt sind, um zueinander benachbart zu sein, sind das Kühlwasserabdichtungsmaterial 302 (siehe 3), das den Kühlwasserstrombereich einschließlich des Separatorzentralbereichs 121 und des Brenngasabführlochs 122OT an der Kühlflächenseite umgibt, d. h. an der Seite, an der das Brenngaszuführloch 122IN und die Kühlwasserstrompfadrillen 204 geöffnet sind, als auch die Oxidationsgasabdichtungsmaterialien 301, die die Oxidationsgasabführlöcher 124OT umgeben, zwischen dem anodenseitigen Separator 120 einer Einheitszelle 100 und dem kathodenseitigen Separator 130 der anderen Einheitszelle 100 an der oberen Endseite des Separators eingekeilt. Außerdem sind die Kühlwasserabdichtungsmaterialien 302 und die Oxidationsgasabdichtungsmaterialien 301, die die Oxidationsgaszuführlöcher 124IN an der unteren Endseite des Separators umgeben, als auch die Kühlwasserabdichtungsmaterialien 302, die Brenngasabdichtungsmaterialien 300, die das Brenngaszuführloch 122IN umgeben, und die Brenngasabdichtungsmaterialien 300, die das Brenngasabführloch 122OT an linken/rechten beiden Enden des Separators umgeben, durch den anodenseitigen Separator 120 einer Einheitszelle 100 und den kathodenseitigen Separator 130 der anderen Einheitszelle 100 eingekeilt. Die Brennstoffzelle 10, bei der die Einheitszellen 100, wie vorstehend beschrieben, gestapelt sind, ist in der Zellstapelrichtung mithilfe eines nicht gezeigten verengenden Schafts oder dergleichen verengt.
Die Brennstoffzelle 10 in dieser Ausführungsform ist einem Luftauslassprozess aus den Kühlwasserstrompfadrillen 204 des anodenseitigen Separators 120 in einzelnen Einheitszellen 100 zu einem Zeitpunkt ausgesetzt, wenn das in 9 gezeigte Mehrschichten und Stapeln als auch das Verengen abgeschlossen sind. D. h. für den anodenseitigen Separator 120 wird das Kühlwasser aus den Kühlwasserzuführlöchern 126IN zugeführt. Das auf diese Weise zugeführte Kühlwasser wird zwischen benachbarten Kühlwasserstrompfadrillen 204 durch die verbindenden Strompfadrillen 205 in dem Bereich hindurch geströmt, nachdem es den Umkehrbereich A erreicht hat, der an den Seite der Kühlwasserzuführlöcher 126IN in dem Separatorzentralbereich 121 angeordnet ist, und strömt somit verstreut durch die Kühlwasserzuführlöcher 126IN in die jeweiligen Kühlwasserstrompfadrillen 204 ein. Als Ergebnis verbreitet sich das Kühlwasser an der Seite der Brenngaszuführlöcher 122IN über den gesamten Umkehrbereich A. Gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform kann der Umgebungsbereich des Brenngaszuführlochs 122IN, den das Brenngas, das nach dem Leistungserzeugungsbetrieb zugeführt wird, so wie es ist, unverbraucht zuerst erreicht, mit hoher Effizienz gekühlt werden, wodurch es den Umgebungsbereich aktiver bei der Leistungserzeugungsreaktion macht.
Das Kühlwasser, das auf diese Weise in die Kühlwasserstrompfadrillen 204 hineingeströmt ist, schiebt die Luft weg, wenn die Luft in den Rillen verbleibt, wenn sie durch die Kühlwasserstrompfadrillen 204 entlang der Rillenpfade strömt. Dann wird der Strom des Kühlwassers in dem Umkehrbereich A, wie in 6 beschrieben, von einer schrägen nach oben gerichteten Stromrichtung umgekehrt, die eine Stromrichtung von den Kühlwasserzuführlöchern 126IN zu einer horizontalen Richtung ist, die in Richtung der Kühlwasserabführlöcher r 126OT gerichtet ist. Während das Kühlwasser durch die Kühlwasserstrompfadrillen 204 und die verbindenden Strompfadrillen 205 in dem Umkehrbereich A hindurch strömt, wird sogar Luft in diesen Rillen durch den Strom des Kühlwassers weggeschoben, während das Kühlwasser mit ihrer Stromrichtung, die, wie bereits beschrieben, geändert ist, dadurch hindurchströmt, wodurch eine Möglichkeit entsteht, dass der Strom des Kühlwassers gestaut wird. Wenn Luft in den Kühlwasserstrompfadrillen 204 verbleibt, kann die Luft dementsprechend in den Kühlwasserstrompfadrillen 204 verbleiben, ohne in Abhängigkeit von dem Zustand, wie der Strom des Kühlwassers gestaut ist, weggeschoben zu werden. Dann kann, wie in 4 und 8 gezeigt, in dem Umkehrbereich A an der Seite der Brenngaszuführlöcher 122IN, wo sich die Kühlwasserstrompfadrillen 204 in die Richtung nach oben/unten (y-Richtung) erstrecken, und die verbindenden Strompfadrillen 205, die sich damit verbinden, geschaffen sind, die Luft in den Rillen in Richtung der ersten Anschlussrillen 202t ansteigen. 10 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Weg zeigt, wie Strompfadrillen in dem Eckabschnitt DC des Separatorzentralbereichs 121 in einem Vergleichsbeispiel eines anodenseitigen Separators 120H ausgebildet sind, wie er in einer Draufsicht von der Kühlflächenseite her betrachtet wird und ferner vergrößert ist.
In dem anodenseitigen Separator 120H des in der Abbildung gezeigten vergleichenden Beispiels sind die ersten Anschlussrillen 202t an dem oberen Ende des Separatorzentralbereichs 121 zu einer einfachen ausgesparte Rillenform ausgebildet, die keine eingedrückte Eckenaussparung 202tb aufweist. Dann werden die Kühlwasserstrompfadrillen 204, die sich unterhalb der ersten Anschlussrillen 202t erstrecken, durch einen Kontakt mit dem kathodenseitigen Separator 130 in einen geschlossen Zustand versetzt, so dass die Luft in den Rillen, die in Richtung der ersten Anschlussrillen 202t aufgestiegen ist, durch die ersten Anschlussrillen 202t daran gehindert wird, weiter zu steigen, was vermuten lässt, dass die Luft eine Luftansammlung an der Anschlussendseite der ersten Anschlussrillen 202t bildet. Die resultierende Luftansammlung bedeckt dann den Umgebungsbereich des Brenngaszuführlochs 122IN, den das Brenngas so wie es ist, unverbraucht zuerst erreicht, um den Umgebungsbereich bei der Leistungserzeugungsreaktion aktiver zu machen.
Im Gegensatz dazu weist der anodenseitige Separator 120 dieser Ausführungsform, wie in 7 und 8 gezeigt, die eingedrückte Eckenaussparung 202tb in den ersten Anschlussrillen 202t auf. Diese eingedrückte Eckenaussparung 202tb ermöglicht Verbindungen zwischen den Kühlwasserstrompfadrillen 204, die sich unterhalb der ersten Anschlussrillen 202t in die x-Richtung erstrecken, und dem Außenrandabschnitt 123, der von den ersten Anschlussrillen 202t nach oben gerichtet angeordnet ist, so dass die Luft in den Rillen, die in Richtung der ersten Anschlussrillen 202t angestiegen ist, durch die eingedrückte Eckenaussparung 202tb zusammen mit dem Kühlwasser hindurchströmt, das in Richtung der ersten Anschlussrillen 202t angestiegen ist, wodurch die Luft aus dem Separatorzentralbereich 121 zu dem Außenrandabschnitt 123 seines Außenrands ausgestoßen wird. Gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform kann deshalb ein Zustand erhalten werden, bei dem keine Luft über dem gesamten Separatorzentralbereich 121, einschließlich der Umgebungen des Brenngaszuführlochs 122IN, verbleibt, so dass die einzelnen Einheitszellen 100 mit hoher Kühleffizienz abgekühlt werden können. Die Luft, die, wie vorstehend gezeigt, zu dem Außenrandabschnitt 123 ausgestoßen wird, wobei sie zwischen dem Außenrandabschnitt 123 und dem kathodenseitigen Separator 130 (siehe 9) hindurchströmt, wird außerdem aus den Kühlwasserabführlöchern 126OT aus der Einheitszelle ausgestoßen.
Die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform wird daran gehindert, dass sich Luft in den Kühlwasserstrompfadrillen 204 in Umgebungsbereichen des Brenngaszuführlochs 122IN ansammelt, die das Brenngas so wie es ist, unverbraucht zuerst erreicht, wodurch die Umgebungsbereiche aktiver bei der Leistungserzeugungsreaktion gemacht werden, so dass die Kühlwirkung beibehalten oder verbessert werden kann.
Gemäß dem anodenseitigen Separator 120 dieser Ausführungsform kann die eingedrückte Eckenaussparung 202tb, wo die Unterwand eingedrückt ist, an einem Abschnitt, der näher an dem Anschlussende als die Seite des Brenngaszuführlochs 122IN der ersten Anschlussrillen 202t ist, ausgebildet sein, so dass der Aufbau zur Verhinderung der Luftansammlung vereinfacht werden kann und darüber hinaus die Luftansammlung bequem verhindert werden kann. Da die Bildung der eingedrückten Eckenaussparung 202tb in den ersten Anschlussrillen 202t durch Pressformen der anderen zweiten Rillen 204, einschließlich der ersten Anschlussrillen 202t und der Brenngasstrompfadrillen 202, erfüllt ist, können die Herstellungskosten für den Separator dennoch reduziert werden. Da die eingedrückte Eckenaussparung 202tb in der Rillentiefe flacher als andere Rillenpfadstellen der ersten Anschlussrillen 202t ist, ist es ausreichend, unter Verwendung einer Präzisionsschleifsteinausrüstung den Scheitelpunkt des hervorstehenden Streifens eines Druckpositivformwerkzeugs zu schleifen, das für das Formen der ersten Anschlussrillen 202t verwendet wird, die eine einheitliche Rillenform aufweisen. Unter diesem Gesichtspunkt, können gemäß dem anodenseitigen Separator 120 dieser Ausführungsform, die Separatorherstellungskosten reduziert werden und darüber hinaus das Problem mit der Luftansammlungsverhinderung mit einem einfachen Schleifverfahren des Scheitelpunkts des hervorstehenden Streifens des Druckpositivformwerkzeugs gelöst oder diesem entgegengewirkt werden. Da ferner das Schleifen des Scheitelpunkts des hervorstehenden Streifens eines Druckpositivformwerkzeugs ausreichend sein wird, wird eine wirkungsvolle Verwendung vorhandener Ausrüstung ermöglicht, und darüber hinaus können die Separatorherstellungskosten durch die Reduzierung der Formwerkzeugkosten weiter reduziert werden.
Bei dem anodenseitigen Separator 120 dieser Ausführungsform für eine zerstreuende Einführung von Kühlwasser zu den Kühlwasserstrompfadrillen 204, während die Stromrichtung des Kühlwassers in den Umkehrbereichen A geändert wird, sind die tiefen Rillenabschnitte 206 und die flachen Rillenabschnitte 208 in den Rillenpfadverläufen der Brenngasstrompfadrillen 202 verstreut ausgebildet. Die flachen Rillenabschnitte 208 müssen lediglich flacher gemacht werden als die tiefen Rillenabschnitte 206 und können, wie in der bereits beschriebenen eingedrückten Eckenaussparung 202tb, durch Pressformen ausgebildet sein. Ebenso in dieser Hinsicht, können deshalb gemäß dem anodenseitigen Separator 120 dieser Ausführungsform die Herstellungskosten reduziert werden.
Die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform verwendet den anodenseitigen Separator 120, der die Verhinderung einer Luftansammlung an der eingedrückten Eckenaussparung 202tb des Eckabschnitts DC (siehe 5) des Separatorzentralbereichs 121 erzielt. Deshalb kann gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform die Zellenleistung beibehalten oder verbessert werden, da während ihres Leistungserzeugungsbetriebs keine Kühlunzulänglichkeit auftritt.
Für die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform kann der anodenseitige Separator 120, der die eingedrückte Eckenaussparung 202tb in den ersten Anschlussrillen 202t aufweist, die sich an dem oberen Ende des Separatorzentralbereichs 121 erstrecken, durch einen weiteren in der vorhandenen Einheitszelle 100 ersetzt werden. Gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform kann deshalb eine Reduzierung der Zellenherstellungskosten erzielt werden und darüber hinaus können solche Störungen, wie eine Kühlunzulänglichkeit oder dergleichen, die aufgrund einer Luftansammlung auftreten können, auf eine einfache Weise gelöst oder unterdrückt werden.
In der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform weist jede Einheitszelle 100 lediglich eine eingedrückte Eckenaussparung 202tb in dem Eckabschnitt DC an der Seite der Brenngaszuführlöcher 122IN des Separatorzentralbereichs 121 auf. Da das Kühlwasser daran gehindert wird, unerwarteterweise aus dem Separatorzentralbereich 121 zu seinem Außenrandabschnitt 123 über die eingedrückte Eckenaussparung 202tb herauszuströmen, tritt deshalb nie eine Kühlunzulänglichkeit in dem Separatorzentralbereich 121 auf.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann durch eine Vielfalt anderer Gestaltungen implementiert werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die technischen Merkmale der obigen Ausführungsform, die den technischen Merkmalen der jeweiligen Aspekte entsprechen, die in der Kurzfassung beschrieben sind, auf eine geeignete Weise ersetzt oder kombiniert werden, um die oben beschriebenen Probleme zum Teil oder vollständig zu lösen oder um die oben beschriebenen Vorteile zum Teil oder vollständig zu erreichen. Jedes der technischen Merkmale kann darüber hinaus gegebenenfalls weggelassen werden, wenn es in dieser Beschreibung nicht als unverzichtbar beschrieben ist.
In dem anodenseitigen Separator 120 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, ist die eingedrückte Eckenaussparung 202tb in den ersten Anschlussrillen 202t an dem Eckabschnitt DC (siehe 5) des Separatorzentralbereichs 121 geschaffen. In den Fällen, bei denen eine Luftansammlung, abhängig von den Rillenpfadverläufen der Brenngasstrompfadrillen 202 oder der Kühlwasserstrompfadrillen 204, an anderen Stellen auftreten kann, kann jedoch die eingedrückte Eckenaussparung 202tb an solchen Stellen geschaffen sein. Stellen, an denen die Luftansammlung auftreten kann, können insbesondere durch empirische Methoden unter Verwendung der Einheitszelle 100 selbst als auch durch Simulationen, die Computer verwenden, bestimmt werden. Ansonsten kann eine eingedrückte Eckenaussparung 202tb, die derjenigen an der Seite der Brenngaszuführlöcher 122IN ähnlich ist, an einem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs 121, an der Seite der Kühlwasserabführlöcher 126OT geschaffen sein. Eingedrückte Eckaussparungen 202tb können an mehreren Stellen der ersten Anschlussrillen 202t geschaffen sein, die sich an dem oberen Ende des Separatorzentralbereichs 121 erstrecken.
In dieser Ausführungsform wird, wie in 6 gezeigt, ein Kühlwasserstrom aus den Kühlwasserzuführlöchern 126IN an der rechten Seite in der Abbildung des anodenseitigen Separators 120 in Richtung der gegenüberliegenden Kühlwasserabführlöcher 126OT gerichtet, wobei der Separatorzentralbereich 121 dazwischen eingefügt ist. Umgekehrt können die Kühlwasserabführlöcher 126OT der 6 jedoch durch die Kühlwasserzuführlöcher 126IN ersetzt werden und die Kühlwasserzuführlöcher 126OT der 6 können durch die Kühlwasserzuführlöcher 126IN ersetzt werden. Sogar in einem solchen Fall kann die eingedrückte Eckenaussparung 202tb in den ersten Anschlussrillen 202t an einem Eckabschnitt des Separatorzentralbereichs 121 an der linken Endseite der 6 geschaffen sein, und die eingedrückte Eckenaussparung 202tb kann auch an dem rechtsseitigen Eckabschnitt geschaffen sein.
In dieser Ausführungsform werden die Brenngasstrompfadrillen 202 und die Kühlwasserstrompfadrillen 204 durch Pressformen ausgebildet. Die Brenngasstrompfadrillen 202 und die Kühlwasserstrompfadrillen 204 können jedoch an der Vorder- und Rückseite des Separators durch einen zerspanenden Prozess oder dergleichen geschaffen werden.

Claims

Brennstoffzellenseparator, der an einer Membranelektrodenanordnung angebracht ist, wobei der Brennstoffzellenseparator eine erste Fläche und eine zweite Fläche als eine Rückseite der ersten Fläche aufweist, wobei der Brennstoffzellenseparator aufweist: einen Zentralbereich, der dem Leistungserzeugungsbefähigungsbereich der Membranelektrodenanordnung gegenüberliegend angeordnet ist; einen Außenrandabschnitt, der sich von dem Zentralbereich bis zu dem Umfangsrandabschnitt des Zentralbereichs erstreckt; einen erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil, der mehrere Rillen enthält, die in dem Zentralbereich in der ersten Fläche ausgebildet sind; einen zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil, der mehrere Rillen enthält, die in dem Zentralbereich in der zweiten Fläche ausgebildet sind; und einen Luftauslassteil, der an einer oberen Endseite des Zentralbereichs in dem erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil ausgebildet ist, wobei sich der Luftauslassteil zwischen dem Zentralbereich und dem Außenrandabschnitt verbindet, und Luft innerhalb der Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils aus dem Zentralbereich zu dem Außenrandabschnitt zusammen mit dem Kühlwasser auslässt, wobei der Luftauslassteil an einer Stelle ausgebildet ist, wo sich Luft innerhalb der Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils an der oberen Endseite des Zentralbereichs wegen einer sich ändernden Stromrichtung des Kühlwassers, das durch den zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil hindurchströmt, sammeln kann.
Brennstoffzellenseparator gemäß Anspruch 1, der ferner aufweist: einen kühlwasserzuführseitigen Verteiler, der an dem Außenrandabschnitt, an einer Seite des Zentralbereichs in horizontaler Richtung angeordnet ist; und einen Kühlwassereinführteil, der dazu eingerichtet ist, Kühlwasser zu verstreuen und einzuführen, das aus dem kühlwasserzuführseitigen Verteiler in die einzelnen Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils mit wechselnder Stromrichtung des Kühlwassers zugeführt wird, wobei der Luftauslassteil an einem Zentralbereichseckenabschnitt ausgebildet ist, der an der oberen Endseite des Zentralbereichs und an der Seite des Kühlwassereinführteils angeordnet ist.
Brennstoffzellenseparator gemäß Anspruch 2, der ferner aufweist einen brenngaszuführseitigen Verteiler, der dazu eingerichtet ist, Brenngas in die Rillen des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils zuzuführen, wobei der brenngaszuführseitige Verteiler an der Oberseite des kühlwasserzuführseitigen Verteilers in dem Außenrandabschnitt angeordnet ist.
Brennstoffzellenseparator gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Rillen des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils und die Rillen des zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteils alternierend an der ersten Fläche und der zweiten Fläche in dem Zentralbereich durch Bildung mehrerer Streifen mit Gruben und Buckeln ausgebildet sind, die durch Pressformen des Zentralbereichs geschaffen sind, und der Luftauslassteil ein Unterwandaussparteil ist, wobei eine Unterwand des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils, die an der an dem oberen Ende des Zentralbereichs angeordnet ist, ausgespart ist.
Brennstoffzellenseparator gemäß Anspruch 4, wobei der Kühlwassereinführteil flache Rillenabschnitte enthält, die entlang des Pfads der erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils verstreut sind, wobei die flachen Rillenabschnitte teilweise flacher in der Tiefe in dem erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteil sind und gegenüber dem zweitflächenseitigen ausgesparten Rillenteil alternierend an der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet sind.
Brennstoffzelle, die mehrere gestapelte Einheitszellen aufweist, wobei jede der Einheitszellen eine Membranelektrodenanordnung aufweist, die zwischen einem ersten Separator und einem zweiten Separator eingekeilt ist, wobei jede der Einheitszellen enthält: den Brennstoffzellenseparator gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 5 als den ersten Separator, wobei bei den benachbart gestapelten Einheitszellen die Unterwand des erstflächenseitigen ausgesparten Rillenteils, der in dem ersten Separator einer der Einheitszellen enthalten ist, mit dem zweiten Separator der anderen Einheitszelle in Kontakt ist.