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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel.
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STAND DER TECHNIK
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Ein einen Separator für eine Brennstoffzelle (nachfolgend als Brennstoffzellenseparator bezeichnet) ist eine Komponente eines Brennstoffzellenstapels, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, und hat Reaktionsgasströmungswege, die ausgestaltet sind, um einer jeden Einheitszelle ein Reaktionsgas zuzuführen, sowie Kühlmittelströmungswege, die ausgestaltet sind, um der Einheitszelle ein Kühlmittel zuzuführen. Der Brennstoffzellenseparator hat auch ein Reaktionsgassammelrohr, das ausgestaltet ist, um das Fluid zu den Reaktionsgasströmungswegen zu verteilen, sowie ein Kühlmittelsammelrohr, das ausgestaltet ist, um das Kühlmittel zu den Kühlmittelströmungswegen zu verteilen. Diese Sammelrohre werden durch Öffnungen definiert, die in einem Außenumfangsabschnitt des Brennstoffzellenseparators gebildet sind und die als Strömungswege gebildet sind, die den Brennstoffzellenseparator in Dickenrichtung durchdringen, d.h. in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels, wenn die Einheitszellen und die Separatoren gestapelt sind. Ein Brennstoffzellenstapel aus dem Stand der Technik hat eine Mehrzahl von Öffnungen für Kühlmittelsammelrohre, wie beispielsweise in der WO 2013 / 005 300 A1 beschrieben ist. Die jeweiligen Öffnungen sind im Außenumfangsabschnitt des Separators aneinandergereiht. Ein weiterer Brennstoffzellenseparator ist aus der US 2008 / 0 166 608 A1 bekannt.
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KURZFASSUNG
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Technisches Problem
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In dem Zustand, bei dem ein Brennstoffzellenstapel mit diesem Brennstoffzellenseparator derart montiert ist, dass die Mehrzahl von Kühlmittelsemmelrohren in vertikale Richtung ausgerichtet sind, ist die Menge an Kühlmittel, die einem oberen Abschnitt des Mittelbereichs zugeführt wird, wahrscheinlich geringer als die Menge an Kühlmittel, die einem unteren Abschnitt zugeführt wird. Dies führt zu dem Problem, dass keine einheitliche Kühlung entlang der unten-oben-Richtung der Einheitszellen erzielt werden kann. Bezüglich des Standes der Technik besteht zudem Bedarf an einer leichteren Fertigung und Ressourceneinsparung.
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Lösung des Problems
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Um zumindest einen Teil der vorstehenden Probleme zu lösen kann die Erfindung entsprechend der nachfolgenden Aspekte realisiert werden.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Separator für eine Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenseparator geschaffen, der zwischen einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen angeordnet ist. Der Brennstoffzellenseparator kann einen Mittelbereich; einen Außenumfangsabschnitt, der ein Bereich außerhalb des Mittelbereichs in eine links-rechts-Richtung ist, die eine Schwerkraftrichtung schneidet, und in dem eine Mehrzahl von in vertikale Richtung angeordneten Öffnungen für Kühlmittelzufuhrsammelrohre ausgebildet ist; erste Rippen, die an einem Stababschnitt, der vorgesehen ist, um angrenzende Öffnungen für die Kühlmittelzufuhrsammelrohre voneinander zu trennen, ohne die Öffnungen für die Kühlmittelzufuhrsammelrohre zu umgeben, über einen Bereich zwischen den Öffnungen für die Kühlmittelzufuhrsammelrohre und dem Mittelbereich ausgebildet sind, sowie zweite Rippen umfassen, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind und in einer verlängerten Gestalt entlang einer Richtung ausgebildet sind, in welche eine stromabwärtige relativ zur links-rechts-Richtung nach oben geneigt ist, wobei jede der ersten Rippen mit einer bestimmten zweiten Rippe, die der ersten Rippe am nächsten liegt, derart über einen Verbindungsabschnitt verbunden ist, dass sie eine lange Rippe bilden. Wenn der Brennstoffzellenseparator dieses Aspekts derart verwendet wird, so dass die Öffnungen für die Sammelrohre in vertikale Richtung ausgerichtet sind, befindet sich die Rippe zwischen den jeweiligen Sammelrohren und ist über den Bereich zwischen den Öffnungen für die Sammelrohre und dem Mittelbereich vorgesehen. Diese Konfiguration verhindert, dass ein Kühlmittel, das von einem oberen Kühlmittel sammelrohr der Mehrzahl von Kühlmittelsammelrohre zugeführt wird, in einer Ebene einer Einheitszelle aufgrund der Schwerkraft nach unten fließt, bevor das Kühlmittel einen Strömungsweg erreicht, der im Mittelbereich des Separators ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenseparator dieses Aspekts verhindert somit eine Verringerung der Menge an Kühlmittel, die einem oberen Abschnitt des Mittelbereichs zugeführt wird, und erzielt damit den vorteilhaften Effekt, dass das Niveau der Kühlung entlang der oben-unten-Richtung der Einheitszelle ausgeglichen werden kann.
- (2) Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen mit einem dazwischen angeordneten Brennstoffzellenseparator gestapelt ist. Der Brennstoffzellenseparator kann bei dem Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt einen Mittelbereich, der derart angeordnet ist, dass er einem Leistungserzeugungsbereich der Membranelektrodenanordnung zugewandt ist; einen Außenumfangsabschnitt, der ein Bereich außerhalb des Mittelbereichs in eine links-rechts-Richtung ist, die eine Schwerkraftrichtung schneidet, und in dem eine Mehrzahl von Öffnungen für Kühlmittelzufuhrsammelrohre ausgebildet ist; erste Rippen, die an einem Stababschnitt, der vorgesehen ist, um angrenzende Öffnungen für die Kühlmittelzufuhrsammelrohre voneinander zu trennen, ohne die Öffnungen für die Kühlmittelzufuhrsammelrohre zu umgeben, über einen Bereich zwischen den Öffnungen für die Kühlmittelzufuhrsammelrohre und dem Mittelbereich ausgebildet sind, sowie zweite Rippen umfassen, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind und in einer verlängerten Gestalt entlang einer Richtung ausgebildet sind, in welche eine stromabwärtige relativ zur links-rechts-Richtung nach oben geneigt ist, wobei jede der ersten Rippen mit einer bestimmten zweiten Rippe, die der ersten Rippe am nächsten liegt, derart über einen Verbindungsabschnitt verbunden ist, dass sie eine lange Rippe bilden. Wie bei dem Brennstoffzellenseparator des vorstehend genannten Aspekts verhindert der Brennstoffzellenstapel dieses Aspekts eine Verringerung der Menge an Kühlmittel, die einem oberen Abschnitt des Mittelbereichs zugeführt wird. Dementsprechend hat der Brennstoffzellenstapel dieses Aspekts den vorteilhaften Effekt, dass das Niveau der Kühlung entlang der oben-unten-Richtung der Einheitszelle ausgeglichen und die Effizienz der Strom- bzw. Leistungserzeugung verbessert werden kann.
- (3) Bei dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Brennstoffzellenseparator an einer Anodenseite der Membranelektrodenanordnung vorgesehen sein. Diese Konfiguration ermöglicht die Ausbildung eines Kühlmittelströmungsweges auf der Anodenseite.
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Die Erfindung kann durch verschiedene andere Aspekte realisiert werden, beispielsweise in Form eines Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem vorstehend genannten Aspekt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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- 1 zeigt eine Darstellung, die den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 2 zeigt eine Draufsicht, die eine gestapelte Einheitszelle von einem anodenseitigen Separator aus betrachtet zeigt;
- 3 zeigt eine Darstellung, die eine Ebene in der Nähe von Kühlmittelzufuhrsammelrohren zeigt; und
- 4 zeigt eine Darstellung, die eine Ebene in der Nähe von Kühlmittelzufuhrsammelrohren gemäß eines Vergleichsbeispiels zeigt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Allgemeiner Aufbau
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1 zeigt eine Darstellung, die den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 hat einen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 hat eine Stapelstruktur, in der eine Endplatte 110, eine Isolatorplatte 120, ein Stromkollektor 130, eine Mehrzahl von Einheitszellen 140, ein Stromkollektor 130, eine Isolatorplatte 120 und eine Endplatte 110 in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist derart montiert, dass die Stapelrichtung der Einheitszellen 140 eine horizontale Richtung X ist.
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Wasserstoff wird dem Brennstoffzellenstapel 100 als Brenngas von einem Wasserstofftank 150, der derart ausgestaltet ist, um Hochdruckwasserstoff zu speichern, über ein Sperrventil 151, einen Regler 152 und eine Leitung 153 zugeführt. Ungenutztes Brenngas (Anodenabgas), das im Brennstoffzellenstapel 100 nicht benutzt wurde, wird durch eine Auslassleitung 163 aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen. Das Brennstoffzellensystem 10 kann ein Rezirkulationsmechanismus haben, der derart ausgestaltet ist, um das Anodenabgas zur Seite der Leitung 153 zurückzuführen. Luft wird dem Brennstoffzellenstapel 100 zudem als Oxidationsgas durch eine Luftpumpe 160 und eine Leitung 161 zugeführt. Unverbrauchtes Oxidationsgas (Kathodenabgas), das im Brennstoffzellenstapel 100 nicht verwendet wurde, wird durch eine Auslassleitung 154 aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen. Das Brenngas und das Oxidationsgas werden auch als Reaktionsgase bezeichnet.
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Zudem wird ein Kühlmittel, das durch einen Radiator 170 heruntergekühlt wurde, dem Brennstoffzellenstapel 100 durch eine Wasserpumpe 171 und eine Leitung 172 zugeführt, um den Brennstoffzellenstapel 100 zu kühlen. Das vom Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragene Kühlmittel wird durch eine Leitung 173 zum Radiator 170 zirkuliert. Das verwendete Kühlmittel kann beispielsweise Wasser, ein Frostschutzmittel wie Ethylenglykol oder Luft sein.
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Wie durch die teilweise vergrößerte schematische Ansicht von 1 gezeigt ist, hat jede der Einheitszellen 140 im Brennstoffzellenstapel 100 einen Aufbau, wonach eine Membranelektrodenanordnung (auch als MEA bezeichnet) 30 zwischen einem Paar Separatoren, oder insbesondere einem anodenseitigen Separator 50 und einem kathodenseitigem Separator 40, angeordnet ist. Die MEA 30 hat eine Anode und eine Kathode, die an jeweiligen Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet sind. Der anodenseitige Separator 50 hat Brenngasströmungswege 52, die durch eine Mehrzahl linearer Nuten auf einer MEA-seitigen Fläche ausgebildet sind, und Kühlmittelströmungswege 54, die durch eine Mehrzahl linearer Nuten auf der der MEA 30 gegenüberliegenden Seite ausgebildet sind. Der kathodenseitige Separator 40 hat einen Oxidationsgasströmungsweg 42, der auf einer MEA-seitigen Fläche durch Anordnen eines Strömungswegelements zum Strömen von Luft gebildet wird. Das strömungswegbildende Element ist beispielsweise ein (nicht dargestelltes) expandiertes Metall. Der Brennstoffzellenstapel 100 der Ausführungsform ist ein Polymerelektrolytbrennstoffzellenstapel und die Elektrolytmembran ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschmembran aus einem Festpolymermaterial wie Fluorharz.
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B. Konfiguration des Separators
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2 zeigt eine Draufsicht, die die gestapelte Einheitszelle 140 gesehen vom anodenseitigen Separator 50 zeigt, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 virtuell in der Mitte der Stapelrichtung geschnitten ist. Die Richtung von vorne nach hinten in 2 ist gleich der Stapelrichtung X und die Richtung von oben nach unten bzw. die oben-unten-Richtung in 2 ist im Wesentlichen gleich einer vertikalen Richtung Y des Brennstoffzellenstapels 100. Der anodenseitige Separator 50 und der kathodenseitige Separator 40 bestehen aus einem Material, das gasundurchlässig und elektronenleitend ist, beispielsweise einem Kohlenstoffmaterial wie dichtem Kohlenstoff, der durch das Komprimieren von Kohlenstoffpartikeln derart, dass diese gasundurchlässig werden, erhalten wird, oder einem Metallmaterial wie einem pressgeformten Edelstahl oder Titanstahl. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Separatoren 40 und 50 durch Pressformen von Edelstahl gebildet.
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Der anodenseitige Separator 50 hat einen Separatormittelbereich 50A, der einem Leistungserzeugungsbereich der MEA 30 zugewandt ist, sowie einen flachen plattenähnlichen Außenumfangsabschnitt 50B, der am Außenumfang des Separatormittelbereichs 50A angeordnet ist. Der „Leistungserzeugungsbereich“ bezeichnet einen Bereich der MEA 30, in dem elektrische Leistung erzeugt wird, und ist ein annähernd rechteckiger Bereich der MEA 30, in den das Brenngas einströmt oder genauer gesagt die Brenngasströmungswege 52 (in 1 dargestellt) in der Draufsicht aus der Stapelrichtung X ausgebildet sind. Der Separatormittelbereich 50A ist ein Bereich, der mit dem Leistungserzeugungsbereich in der Draufsicht aus der Stapelrichtung X überlappt. Der Außenumfangsabschnitt 50B ist ein Bereich, der außerhalb des Separatormittelbereichs 50A liegt und hat eine Größe, die zulässt, dass zumindest ein Kühlmittelzufuhrsammelrohr 82, das später beschrieben wird, darin ausgebildet werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform erstreckt sich der Außenumfangsabschnitt 50B in vier Richtungen, d.h. in vertikaler Richtung Y nach oben, in vertikaler Richtung Y nach unten, zu einer Seite in links-rechts-Richtung Z senkrecht zur vertikalen Richtung Y und der Stapelrichtung X und zur anderen Seite in links-rechts-Richtung Z.
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Der Außenumfangsabschnitt 50B hat Öffnungen, die vorgesehen sind, um ein Brenngaszufuhrsammelrohr 62, ein Oxidationsgaszufuhrsammelrohr 72, ein Brenngasaustragsammelrohr 64, ein Oxidationsgasaustragrohr 74, ein Kühlmittelzufuhrsammelrohr 82 und ein Kühlmittelaustragsammelrohr 84 zu bilden. Diese Sammelrohre werden durch Stapeln der Einheitszellen 140 gebildet, stellen jedoch, vom Betrachtungspunkt einer jeden einzeln Einheitszelle 140 oder des anodenseitigen Separators 50, nur Öffnungen dar. In der nachfolgenden Beschreibung wird nicht speziell zwischen dem gestapelten Zustand (einem Zustand, der als Sammelrohr fungiert) und dem alleinstehenden Zustand (einem Zustand, bei welchem nur die Öffnung vorliegt) unterschieden, und beide Zustände werden als Sammelrohr bezeichnet. Das Brenngaszufuhrsammelrohr 62 ist ein Strömungsweg, der zum Verteilen von Wasserstoff als Brenngas, das dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, zu den Brenngasströmungswegen 52 (siehe 1) der jeweiligen Einheitszellen 140 ausgestaltet ist. Das Oxidationsgaszufuhrsammelrohr 72 ist ein Strömungsweg, der zum Verteilen von Luft als Oxidationsgas, das dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, zu den Oxidationsgasströmungswegen 42 (siehe 1) der jeweiligen Einheitszellen 140 ausgestaltet ist. Das Brenngasaustragsammelrohr 64 ist ein Strömungsweg, der ausgestaltet ist, um unverbrauchtes Brenngas, das in den Brenngasströmungswegen 52 nicht verwendet wurde, zu sammeln und das unverbrauchte Brenngas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 nach außen auszutragen. Das Oxidationsgasaustragsammelrohr 74 ist ein Strömungsweg, der ausgestaltet ist, um unverbrauchtes Oxidationsgas, das im Oxidationsgasströmungsweg 42 nicht verbraucht wurde, zu sammeln und das unverbrauchte Oxidationsgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 nach au-ßen auszutragen. Das im Außenumfangsabschnitt 50B an der oberen Seite in Y-Richtung des Separatormittelbereichs vorgesehene Oxidationsgaszufuhrsammelrohr 72 besteht aus sechs Oxidationsgaszufuhrsammelrohren 72a bis 72f. Das Oxidationsgasaustragsammelrohr 74 besteht aus sechs Oxidationsgasaustragsammelrohren 74a bis 74f. Jedes dieser Sammelrohre 62, 64, 72a bis 72f und 74a bis 74f hat eine rechteckige Öffnung und bildet einen Reaktionsgasströmungsweg, der in Stapelrichtung X des Brennstoffzellenstapels 100 verläuft. Das Oxidationsgaszufuhrsammelrohr 72 und das Oxidationsgasaustragsammelrohr 74 sind jeweils in eine Mehrzahl von Sammelrohren, sechs Sammelrohre gemäß dieser Ausführungsform, unterteilt. Diese Konfiguration dient dazu, sowohl einen großen Öffnungsbereich für das Oxidationsgas als auch die Festigkeit sicherzustellen.
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Das Kühlmittelzufuhrsammelrohr 82 ist in einem Außenumfangsabschnitt 50Ba an der linken Seite in Z-Richtung vorgesehen, und das Kühlmittelaustragsammelrohr 84 ist in einem Außenumfangsabschnitt 50Bb an der rechten Seite in Z-Richtung vorgesehen. Das Kühlmittelzufuhrsammelrohr 82 ist derart ausgestaltet, um das Kühlmittel den jeweiligen Einheitszellen 140 zuzuführen. Das Kühlmittelaustragsammelrohr 84 ist derart ausgestaltet, um das von den jeweiligen Einheitszellen 140 ausgegebene Kühlmittel zu sammeln und das gesammelte Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 100 nach außen auszutragen. Das Kühlmittelzufuhrsammelrohr 82 besteht aus drei Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c. Das Kühlmittelaustragsammelrohr 84 besteht aus drei Kühlmittelaustragsammelrohren 84a bis 84c. Jedes der Sammelrohre 82a bis 82c und 84a bis 84c für das Kühlmittel hat eine rechteckige Öffnung und bildet einen Strömungsweg, der in Stapelrichtung X des Brennstoffzellenstapels 100 verläuft. Das Kühlmittelzufuhrsammelrohr 82 und das Kühlmittelaustragsammelrohr 84 sind jeweils in eine Mehrzahl von Sammelrohren, drei Sammelrohre gemäß dieser Ausführungsform, unterteilt. Diese Konfiguration dient dazu, sowohl einen großen Öffnungsbereich für das Kühlmittel als auch die Festigkeit sicherzustellen. Die Anzahl der Unterteilungen eines jeden Kühlmittelzufuhrsammelrohrs 82 und Kühlmittelaustragsammelrohrs 84 ist nicht unbedingt auf drei beschränkt sondern kann eine beliebige andere Mehrzahl sein. Stababschnitte 82H sind zwischen den jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82 angeordnet und Stababschnitte 84H sind zwischen den jeweiligen Kühlmittelaustragsammelrohren 84 angeordnet.
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Die jeweiligen Sammelrohre 72, 74, 62, 64, 82a bis 82c und 84a bis 84c sind im Außenumfangsabschnitt 50B des anodenseitigen Separators 50 wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Genauer gesagt sind die jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c in vertikale Richtung Y entlang einer Seite 50Ba des Außenumfangsabschnitts 50B angeordnet. Die jeweiligen Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c sind in vertikale Richtung Y entlang einer Seite 50Bb, die der Seite 50Ba des Außenumfangsabschnitt 50B des Separators 50 gegenüberliegt, angeordnet. Die Richtung der Ausrichtung bezeichnet hierbei eine Richtung im Brennstoffzellenstapel 100, in welche der anodenseitige Separator 50 zwischen angrenzende MEAs 30 angeordnet ist, oder in anderen Worten: die jeweiligen Einheitszellen 140 in Stapelrichtung X gestapelt sind. Im Brennstoffzellenstapel 100, bei dem der anodenseitige Separator 50 zwischen angrenzende MEAs 30 angeordnet ist, sind die jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c und die jeweiligen Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c entlang der vertikalen Richtung Y ausgerichtet. Die Richtung Y im Brennstoffzellenstapel 100 wird als vertikale Richtung beibehalten, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 an seinem Montagepunkt montiert ist. Beispielsweise wird die Richtung des Brennstoffzellenstapels 100 mit der Stapelstruktur beibehalten, wenn er an einem Motorfahrzeug montiert wird. In dem Zustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 100 an dem Fahrzeug montiert ist, sind die jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c und Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c entlang der vertikalen Richtung Y ausgerichtet.
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Dichtungen sind in der Einheitszelle 140 angeordnet, um Dichtungslinien SL1 bis SL5 zu bilden, welche den Leistungserzeugungsbereich und die Öffnungen der jeweiligen Sammelrohre in Ebenenrichtung umgeben. Die Dichtungslinien SL1 bis SL5, die durch die Dichtungen gebildet werden, werden durch eine Dicke strichpunktierte Linie in 2 dargestellt. Die Dichtung wird durch Spritzgießen gebildet und hat einen Querschnitt mit konvexer Gestalt. In dem Zustand, in dem die Mehrzahl von Einheitszellen 140 gestapelt ist, liegen die Dichtungen derart an, dass sie in engem Kontakt mit der Fläche des Separators 50 einer angrenzenden Einheitszelle 140 sind. Die Dichtungslinien SL1 und SL2 sind vorgesehen, um das Austreten von Brenngas zu vermeiden. Die Dichtungslinien SL3 und SL4 sind vorgesehen, um das Austreten von Oxidationsgas zu vermeiden. Die Dichtungslinie SL5 ist vorgesehen, um das Austreten von Kühlmittel zu vermeiden.
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2 ist eine Darstellung, die die Einheitszelle 140 gesehen vom anodenseitigen Separator 50 aus zeigt, und zeigt eine Fläche des anodenseitigen Separators 50, auf welcher das Kühlmittel in Ebenenrichtung strömt. Wie dargestellt ist, umfasst die Dichtungslinie SL5 für das Kühlmittel den Separatormittelbereich 50A, der dem Leistungserzeugungsbereich zugewandt ist, und die jeweiligen Sammelrohre 82a bis 82c und 84a bis 84c für das Kühlmittel. In anderen Worten: die Dichtungslinie SL5 für das Kühlmittel ist derart angeordnet, dass sie das Äußere der Sammelrohre 82a bis 82c und 84a bis 84c umgibt, die im Außenumfangsabschnitt 50B des Separators 50 angeordnet sind. Die mehreren linearen Kühlmittelströmungswegen 54 (siehe auch 1) entlang der Ebenenrichtung sind im Separatormittelbereich 50A ausgebildet. Das von den Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c zugeführte Kühlmittel wird in die jeweiligen Kühlmittelströmungswege 54 im Separatormittelbereich 54A verteilt, fließt durch die jeweiligen Kühlmittelströmungswege 54 und wird von den jeweiligen Kühlmittelströmungswegen 54 gesammelt und über die Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c ausgetragen.
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3 zeigt eine Darstellung, die eine Ebene in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c zeigt. Wie dargestellt ist, sind mehrere Strömungssteuerrippen 94 derart entlang der vertikalen Richtung Y ausgestaltet, dass sie zwischen den jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c und dem Separatormittelbereich 50A liegen. Jede der Strömungssteuerrippen 94 ragt in konvexer Gestalt von der Oberflächen des anodenseitigen Separators 50 vor und ist in einer verlängerten Gestalt entlang einer vorgegebenen Richtung ausgebildet. Die Strömungssteuerrippen 94 sind in gleichmäßigen Abständen bzw. Intervallen parallel zur angrenzenden Steuerrippen 94 angeordnet. Die vorgegebene Richtung bezeichnet hierbei eine Richtung, in welche die stromabwärtige Seite des Kühlmittels relativ zur links-rechts-Richtung Z nach oben geneigt ist. In anderen Worten: die Strömungssteuerrippen 94 sind zur Z-Richtung geneigt. Gemäß dieser Ausführungsform sind acht Strömungssteuerrippen 94 für die drei Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c vorgesehen. Die Strömungssteuerrippen 94 dienen zum Steuern der Strömungsrichtung, um eine Schwankung der Durchflussmenge des Kühlmittels, das dem Separatormittelbereich 50A zugeführt wird, in vertikale Richtung Y zu vermeiden und die Zufuhr des Kühlmittels zu verteilen, um eine örtlich begrenzte Konzentration des Kühlmittels zu vermeiden.
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Verstärkungsrippen 95 sind an den jeweiligen Stababschnitten 82H vorgesehen, die angeordnet sind, um die jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c zu trennen. Jede der Verstärkungsrippen 95 ragt in konvexer Gestalt von der Oberfläche des Außenumfangsabschnitts 50B vor und ist in einer verlängerten Gestalt entlang der links-rechts-Richtung Z ausgebildet, um die Festigkeit des Stababschnitts 82H zu erhöhen. Linke Enden 95L der jeweiligen Verstärkungsrippen 95 fluchten im Wesentlichen mit linken Kanten 82L der jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c in links-rechts-Richtung Z. Ein rechtes Ende 95R einer jeden Verstärkungsrippe 95 ist mit einer bestimmten Strömungssteuerrippe 94 über eine Verbindungsrippe 96 als Verbindungsabschnitt verbunden. Die „bestimmte Strömungssteuerrippe“ bezeichnet hierbei eine Steuerrippe, welche der Verstärkungsrippe 95 am nächsten liegt. Die Strömungssteuerrippe 94, die Verbindungsrippe 96 und die Verstärkungsrippe 95 sind derart ausgestaltet, dass sie die gleiche Höhe um im Wesentlichen die gleiche Breite haben. Dementsprechend sind die Verstärkungsrippe 95, die Verbindungsrippe 96 und die Strömungssteuerrippe 94 derart ausgestaltet, dass sie eine lange Rippe bilden. Die Verstärkungsrippe 95, die Verbindungsrippe 96 und die Strömungssteuerrippe 94 entsprechen der „Rippe“ in den Aspekten der Erfindung.
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Die Verstärkungsrippen 95, die Verbindungsrippen 96 und die Strömungssteuerrippen 94 aus 3 sind in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c vorgesehen. Wie in 2 gezeigt ist, sind Strömungssteuerrippen 97, Verbindungsrippen 99 und Verstärkungsrippen 98 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration in der Nähe der Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c vorgesehen. In der Draufsicht des anodenseitigen Separators 50 sind die Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c und die Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c um einen Mittelpunkt G symmetrisch. Zudem sind auch die Verstärkungsrippen 95, die Verbindungsrippen 96 und die Steuerrippen 94 sowie die Verstärkungsrippen 98, die Verbindungsrippen 99 und die Steuerrippen 97 symmetrisch um den Mittelpunkt G. Der anodenseitige Separator 50 mit der vorstehend beschriebenen Aufgabe entspricht dem „Brennstoffzellenseparator“ in den Aspekten der Erfindung.
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Der kathodenseitige Separator 40 hat ebenfalls entsprechende Sammelrohre 62, 64, 72a bis 72f, 74a bis 74f, 82a bis 82c und 84a bis 84c wie vorstehend beschrieben, um einen Teil der jeweiligen Sammelrohre für das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel zu bilden, die in Stapelrichtung X des Brennstoffzellenstapels 100 verlaufen.
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C. Vorteilhafte Effekte der Ausführungsform
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Bei dem anodenseitigen Separator 50, der in dem Brennstoffzellenstapel 100 enthalten ist und die vorstehend beschriebene Konfiguration hat, dienen die Strömungssteuerrippen 94 zum Angleichen der Strömung des Kühlmittels zwischen den jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c und dem Separatormittelbereich 50A. Zudem sind die Verstärkungsrippen 95 zwischen den jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c, die in vertikaler Richtung Y ausgerichtet sind, vorgesehen, und die Verstärkungsrippe 95 ist mit der Strömungssteuerrippe 94 über die Verbindungsrippe 96 verbunden. Diese Konfiguration tritt mit der Strömung des Kühlmittels W1 (durch einen offenen Pfeil in 3 dargestellt), das von der Öffnung des oberen Kühlmittelzufuhrsammelrohrs in Richtung zur Öffnung des unteren Kühlmittelzufuhrsammelrohrs der drei Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c nach unten strömt, in Wechselwirkung. Die Ausbildung der Verbindungsrippen 96, oder genauer gesagt die Ausbildung der Rippen derart, dass diese von den jeweiligen Stababschnitten 82H, die zum Unterteilen der angrenzenden Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c vorgesehen sind, über einen Bereich zwischen den Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c und dem Mittelbereich 50A verlaufen, behindert die nach unten gerichtete Strömung des Kühlmittels W1 und W2 in diesem Bereich. In 3 wird die Behinderung der Strömung des Kühlmittels W1 und W2 durch ein X gekennzeichnet. Bei einer Konfiguration ohne Verbindungsrippen 96 kommt es zu einer nach unten gerichteten Strömung des Kühlmittels W2 zwischen den Verstärkungsrippen 95 und den Strömungssteuerrippen 94. Die Konfiguration dieser Ausführungsform verhindert diese nach unten gerichtete Strömung.
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4 ist eine Darstellung, die eine Ebene in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre gemäß eines Vergleichsbeispiels zeigt. In diesem Vergleichsbeispiel ist eine Mehrzahl von Kühlmittelzufuhrsammelrohren 282 in vertikale Richtung Y ausgerichtet, und Strömungssteuerrippen 294 sind in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre 282 wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform angeordnet. Dieses Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform darin, dass auf die Verstärkungsrippen 95 und die Verbindungsrippen 96 verzichtet wurde. Bei der Konfiguration dieses Vergleichsbeispiels fließt das Kühlmittel W aufgrund der Schwerkraft von der Öffnung des oberen Kühlmittelzufuhrsammelrohrs 282 in Richtung zur Öffnung des unteren Kühlmittelzufuhrsammelrohrs 282 nach unten. Bei diesem Vergleichsbeispiel wird dementsprechend die Durchflussmenge des Kühlmittels, das vom oberen Kühlmittelzufuhrsammelrohr 282 zu den entsprechenden Kühlmittelströmungswegen 54 im Mittelbereich 50A strömt, verringert. Dies führt zu einer Schwankung der Durchflussmenge des Kühlmittels, das durch die Mehrzahl von Kühlmittelströmungswegen 54 fließt, die in vertikale Richtung Y in der Einheitszelle 140 ausgerichtet sind, in vertikale Richtung Y. Genauer gesagt verringert dies die Durchflussmenge des Kühlmittels, das durch die Kühlmittelströmungswege 54 an der oberen Seite fließt. Hierdurch kann keine einheitliche Kühlung in vertikale Richtung Y in der Einheitszelle 140 erzielt werden. Der anodenseitige Separator 50 der Ausführungsform dagegen verhindert die nach unten gerichtete Strömung des Kühlmittels W1 und W2 wie vorstehend beschrieben und vereinheitlicht somit die Durchflussmenge des Kühlmittels, das von den jeweiligen Kühlmittelzufuhrsammelrohren 82a bis 82c in die Mehrzahl von Kühlmittelströmungswegen 54 im Separatormittelbereich 50A geführt wird. Dementsprechend zeigt der anodenseitige Separator 50 der Ausführungsform den vorteilhaften Effekt, dass das Niveau der Kühlung entlang der vertikalen Y-Richtung in der Einheitszelle 140 vereinheitlicht wird.
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Bezüglich der Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c behindern die Strömungssteuerrippen 97, die Verbindungsrippen 99 und die Verstärkungsrippen 98 die nach unten gerichtete Strömung des Kühlmittels von der Öffnung des oberen Kühlmittelaustragsammelrohrs hin zur Öffnung des unteren Kühlmittelaustragsammelrohrs. Dies gleicht die Durchflussmenge des Kühlmittels, das in die jeweiligen Kühlmittelaustragsammelrohre 84a bis 84c fließt, an.
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Zudem sind gemäß der Ausführungsform die Steuerrippen 94 in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre 82a bis 82c relativ zur links-rechts-Richtung geneigt, so dass die stromabwärtige Seite des Kühlmittels nach oben geneigt ist. Selbst wenn die Strömung des Kühlmittels sich aufgrund der Schwerkraft auf der Strecke von den Strömungssteuerrippen 94 zum Separatormittelbereich 50A ein wenig nach unten bewegt, verringert diese Konfiguration eine Schwankung der Zufuhr von Kühlmittel zum Separatormittelbereich 50A.
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D. Abwandlungen
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* Abwandlung 1
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Mehrzahl von Kühlmittelzufuhrsammelrohren und die Mehrzahl von Kühlmittelaustragsammelrohren in vertikale Richtung ausgerichtet. Gemäß einer Abwandlung kann die Richtung der Ausrichtung eine Richtung sein, die um einen vorgegebenen Winkel (beispielsweise 5° oder 10° relativ zur vertikalen Richtung) geneigt ist. Allgemein umfasst bei dem Brennstoffzellenseparator der Erfindung die „vertikale Richtung“, in welcher die Sammelrohre ausgerichtet sind, eine Richtung, die in einem vorgegebenen Winkel relativ zur vertikalen Richtung geneigt ist.
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* Abwandlung 2
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Rippen, die aus den Verstärkungsrippen 95, den Verbindungsrippen 96 und den Strömungssteuerrippen 94 bestehen, mit der gleichen Höhe und der gleichen Breite über den gesamten Bereich ausgebildet. Die Höhe und Breite der Rippen muss jedoch nicht notwendigerweise über die gesamte Länge fixiert sein. Insbesondere brauchen die Verbindungsrippen 96 nicht unbedingt mit der gleichen Höhe und Breite ausgebildet sein. Die Verbindungsrippen können in jeder Form ausgestaltet sein, die in ausreichendem Maße gewährleistet, dass die Strömung des Kühlmittels durch die Strömungssteuerrippen geregelt wird und ein Austreten des Kühlmittels zwischen den Steuerrippen und den Verstärkungsrippen verhindert.
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* Abwandlung 3
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Verbindungsrippen, die Verstärkungsrippen und die Strömungssteuerrippen kombiniert sowohl in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre als auch in der Nähe der Kühlmittelaustragsammelrohre vorgesehen. Gemäß einer Abwandlung können die Verstärkungsrippen ohne Verbindungsrippen und Strömungssteuerrippen in der Nähe der Kühlmittelaustragsammelrohre vorgesehen sein, während die Rippen in der vorstehend beschriebenen Kombination in der Nähe der Kühlmittelzufuhrsammelrohre vorgesehen sind.
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* Abwandlung 4
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Die „Rippe“ gemäß den Aspekten der Erfindung ist als eine integrale Form aus der Verstärkungsrippe, der Verbindungsrippe und der Strömungssteuerrippe gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ausgebildet. Gemäß einer Abwandlung kann die Rippe jedoch durch separate Rippen gebildet werden. Die Rippe kann in jedweder Konfiguration vom Kühlmittelaustragsammelrohr über den Bereich zwischen dem Sammelrohr und dem Mittelbereich ausgebildet werden. Genauer gesagt, können die Verbindungsrippen weggelassen werden und eine Mehrzahl von Rippen kann von der Stelle, an welcher die Öffnungen der Sammelrohre voneinander getrennt werden, über den Bereich zwischen den Sammelrohren und dem Mittelbereich aufgereiht werden.
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* Abwandlung 5
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Dir vorstehend beschriebene Ausführungsform und deren Abwandlungen verwenden eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle als Brennstoffzelle, die Erfindung ist jedoch auch für andere Arten von Brennstoffzellen, wie beispielsweise Phosphorsäurebrennstoffzellen, Schmelzcarbonatbrennstoffzellen und Festoxidbrennstoffzellen anwendbar.
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* Abwandlung 6
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Verstärkungsrippe 95 über die Verbindungsrippe 96 integral mit der Strömungssteuerrippe 94 an der Position, die der Stelle zwischen den angrenzenden Kühlmittelzufuhrsammelrohren entspricht, von den Strömungssteuerrippen 94 ausgestaltet. Gemäß einer Abwandlung kann eine Rippe, die am Stababschnitt 82H zwischen angrenzenden Kühlmittelzufuhrsammelrohren ausgestaltet ist (eine Rippe, die der Verstärkungsrippe der Ausführungsform entspricht) zum Bereich zwischen dem Mittelbereich 50A und den Kühlmittelzufuhrsammelrohren verlaufen. Bei dieser Abwandlung können die Strömungssteuerrippen 94, die im Bereich zwischen dem Mittelbereich 50A und dem Kühlmittelzufuhrsammelrohren vorgesehen sind (kurze Rippen) unabhängig von den Rippen ausgestaltet sein, die von den Stababschnitten zwischen angrenzenden Kühlmittelzufuhrsammelrohren verlaufen (lange Rippen). Die kurzen Rippen und langen Rippen müssen nicht unbedingt die gleiche Neigung oder die gleichen Endpositionen haben.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform und Anwandlungen beschränkt, sondern kann auf vielerlei Art und Weise ausgestaltet werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Brennstoffzellenseparator und den Brennstoffzellenstapel und ist bei einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffzellenfahrzeug und einem Herstellungsverfahren hierfür anwendbar.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 40
- kathodenseitiger Separator
- 42
- Oxidationsgasströmungsweg
- 50
- anodenseitiger Separator
- 50A
- Separatormittelbereich
- 50B
- Außenumfangsabschnitt
- 52
- Brenngasströmungsweg
- 54
- Kühlmittelströmungsweg
- 62
- Brenngaszufuhrsammelrohr
- 64
- Brenngasaustragsammelrohr
- 72, 72a - 72e
- Oxidationsgaszufuhrsammelrohr
- 82, 82a - 82e
- Oxidationsgasaustragsammelrohr
- 84, 84a - 84e
- Kühlmittelaustragsammelrohr
- 82H, 84H
- Stababschnitt
- 94
- Strömungssteuerungsrippe
- 95
- Verstärkungsrippe
- 96
- Verbindungsrippe
- 97
- Strömungssteuerungsrippe
- 98
- Verstärkungsrippe
- 99
- Verbindungsrippe
- 100
- Brennstoffzellenstapel
- 110
- Endplatte
- 120
- Isolatorplatte
- 130
- Stromkollektor
- 140
- Einheitszelle
- 150
- Wasserstofftank
- 151
- Sperrventil
- 152
- Regler
- 153
- Leitung
- 154
- Auslassleitung
- 160
- Luftpumpe
- 161
- Leitung
- 163
- Auslassleitung
- 170
- Radiator
- 171
- Wasserpumpe
- 172, 173
- Leitung
- W
- Kühlmittel
- SL1 - SL5
- Dichtungslinie
