DE112020001826T5

DE112020001826T5 - Separatorintegrierte Dichtung

Info

Publication number: DE112020001826T5
Application number: DE112020001826.1T
Authority: DE
Inventors: Taisuke MATSUDA; Shigeru Watanabe
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-12-23
Also published as: US20220093940A1; CN113614423A; JPWO2020209047A1; US11888103B2; WO2020209047A1; JP7126610B2

Abstract

Es wird eine separatorintegrierte Dichtung bereitgestellt, um es unwahrscheinlich zu machen, dass eine Elektrolytmembran verformt wird, wenn ein Stapel zusammengebaut wird. Die separatorintegrierte Dichtung 1 für eine Brennstoffzellenbatterie weist eine lippenförmige Dichtung 81, eine erste und zweite Separatorkomponente 21, 31 und eine flach geformte Dichtung 91 auf. Die erste und zweite Separatorkomponente 21, 31 bestehen aus pressbearbeitbaren Metallplatten und weisen einen ersten bzw. zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 23, 33 auf. Die erste Separatorkomponente 21 weist eine Oberfläche auf, die sich auf einer zur Vorsprungsrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 entgegengesetzten Seite befindet und an der eine Dichtungsbefestigungsnut 24 ausgebildet ist, die die lippenförmige Dichtung 81 hält. Die zweite Separatorkomponente 31 weist eine Oberfläche auf, die sich auf einer zur Vorsprungsrichtung des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33a entgegengesetzten Seite befindet und an der eine dreidimensionale Formpassnut 34 ausgebildet ist, die den ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23 aufnimmt. Die flach geformte Dichtung 91 wird an einer Außenflächenseite am zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 gehalten. Der erste und zweite dreidimensionale Formabschnitt 23, 33 stehen in derselben Richtung vor, während deren Positionen auf einer flachen Oberfläche aneinander angepasst sind. Die erste und zweite Separatorkomponente 21, 31 sind miteinander verbunden, während sie in einer Dickenrichtung übereinanderliegen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine separatorintegrierte Dichtung.
Stand der Technik
Eine Dichtung beispielsweise zum Abdichten von Reaktionspartnern (O₂ und H₂) und Kühlwasser ist integral mit einem Separator zusammengebaut. Dadurch wird eine separatorintegrierte Dichtung für eine Brennstoffzellenbatterie konfiguriert. Der Separator ist ein Bestandselement einer Brennstoffzelle.
Es wird manchmal ein pressbearbeitbarer metallischer bipolarer Separator als der Separator verwendet, um die Kosten einer Nutbearbeitung für einen Dichtungsbildungsabschnitt und einen Strömungswegabschnitt zu reduzieren (z.B. japanische Patentanmeldungsoffenlegung Veröffentlichungsnr. 2017-532731).
Indes wird manchmal eine doppelseitige Dichtung als die Dichtung verwendet, um es zu ermöglichen, dass die Positionen von Separatoren auf ihrer flachen Oberfläche zueinander verschoben werden. Die Separatoren werden zur Zeit der Stapelmontage übereinandergeschichtet. Die doppelseitige Dichtung wird durch eine lippenförmige Dichtung und eine flach geformte Dichtung gebildet.
Kurze Zusammenfassung
Technisches Problem
Wenn ein pressbearbeitbarer metallischer bipolarer Separator in Kombination mit einer doppelseitigen Dichtung verwendet wird, die durch eine lippenförmige Dichtung und eine flach geformte Dichtung gebildet wird, werden die folgenden Punkte bemerkt.
Die lippenförmige Dichtung weist einen Dichtungsbasisabschnitt und eine Dichtlippe auf. Die Dichtlippe ist integral auf einer flachen Oberfläche des Dichtungsbasisabschnitts vorgesehen. Die flach geformte Dichtung ist eine flache ohne eine Dichtlippe. Folglich ist eine Höhe (Dicke) der lippenförmigen Dichtung größer als eine Höhe (Dicke) der flach geformten Dichtung.
Ein Unterschied der Höhe (Dicke) zwischen der lippenförmigen Dichtung und der flach geformten Dichtung bewirkt, dass eine Elektrolytmembran verformt wird, indem sie zu einer Seite in einer Dickenrichtung durch die lippenförmige Dichtung angehoben wird. Die so verformte Elektrolytmembran wird zur Zeit der Stapelmontage zwischen den beiden Dichtungen eingeklemmt. Eine solche Verformung kann die Haltbarkeit der Elektrolytmembran beeinflussen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine separatorintegrierte Dichtung bereitzustellen, durch die es unwahrscheinlich ist, dass eine Elektrolytmembran zur Zeit der Stapelmontage verformt wird.
Lösung des Problems
Eine separatorintegrierte Dichtung für eine Brennstoffzellenbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf:

eine lippenförmige Dichtung;
eine erste Separatorkomponente, die aus einer pressbearbeitbaren Metallplatte besteht und einen ersten dreidimensionalen Formabschnitt aufweist, wobei die erste Separatorkomponente eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer zur Vorsprungsrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts entgegengesetzten Seite befindet und auf der eine Dichtungsbefestigungsnut ausgebildet ist, wobei die Dichtungsbefestigungsnut die lippenförmige Dichtung hält;
eine zweite Separatorkomponente, die aus einer pressbearbeitbaren Metallplatte besteht und einen zweiten dreidimensionalen Formabschnitt aufweist, wobei die zweite Separatorkomponente eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer zur Vorsprungsrichtung des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts entgegengesetzten Seite befindet und an der eine dreidimensionale Formpassnut ausgebildet ist, wobei die dreidimensionale Formpassnut den ersten dreidimensionalen Formabschnitt aufnimmt; und
eine flach geformte Dichtung, die an einer Außenflächenseite am zweiten dreidimensionalen Formabschnitt gehalten wird,
wobei der erste dreidimensionale Formabschnitt und der zweite dreidimensionale Formabschnitt in derselben Richtung vorstehen, während deren Positionen auf einer flachen Oberfläche aneinander angepasst sind, und
die erste Separatorkomponente und die zweite Separatorkomponente miteinander verbunden sind, während sie in einer Dickenrichtung übereinanderliegen.

Vorteilhafte Wirkungen
Die separatorintegrierte Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Verformung einer Elektrolytmembran zur Zeit der Stapelmontage unterbinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Draufsicht einer separatorintegrierten Dichtung einer Ausführungsform.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die längs der Linie C-C in 1 aufgenommen ist.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die einen Stapelmontagezustand der separatorintegrierten Dichtungen darstellt.
4A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die längs der Linie D-D in 1 aufgenommen ist.
4B ist eine Schnittansicht, die längs der Linie E-E in 4A aufgenommen ist.
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die einen Stapelmontagezustand der separatorintegrierten Dichtungen darstellt.
6A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die längs der Linie F-F in 1 aufgenommen ist.
6B ist eine Schnittansicht, die längs der Linie G-G in 6A aufgenommen ist.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die einen Stapelmontagezustand der separatorintegrierten Dichtungen darstellt.
8A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die längs der Linie H-H in 1 aufgenommen ist.
8B ist eine Schnittansicht, die längs der Linie I-I in 8A aufgenommen ist.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die einen Stapelmontagezustand der separatorintegrierten Dichtungen darstellt.
10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die ein anderes Beispiel einer Durchflussstruktur der separatorintegrierten Dichtung darstellt.
11 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die einen Stapelmontagezustand der separatorintegrierten Dichtungen darstellt.
12 ist eine Querschnittsansicht des Hauptteils, die eine separatorintegrierte Dichtung gemäß einer anderen Ausführungsform darstellt.
13 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils, die einen Stapelmontagezustand von separatorintegrierten Dichtungen gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Eine separatorintegrierte Dichtung 1 gemäß eine Ausführungsform weist einen Separator 11 und eine Dichtung 71 auf, wie in 1 dargestellt. Der Separator 11 weist eine flache Oberfläche mit einer rechteckigen Form auf. Die Dichtung 71 ist integral an den Separator 11 montiert.
Der Separator 11 weist eine Reaktionsoberfläche 12 für Reaktionspartner (O₂ und H₂) auf und weist Verteilerlöcher 13 auf. Die Reaktionsoberfläche 12 ist in der Mitte der flachen Oberfläche des Separators 11 angeordnet. Die Verteilerlöcher 13 weisen ein Verteilerloch 13A zur Sauerstoff- (O₂) Zuleitung, ein Verteilerloch 13B zur Sauerstoff- (O₂) Ableitung, ein Verteilerloch 13C zur Wasserstoff- (H₂) Zuleitung, ein Verteilerloch 13D zur Wasserstoff- (H₂) Ableitung, ein Verteilerloch 13E zur Kühlwasserzuleitung und ein Verteilerloch 13F zur Kühlwasserableitung auf. Die Zuleitungsverteilerlöcher 13A, 13C und 13E und die Ableitungsverteilerlöcher 13B, 13D und 13F sind auf beiden Seiten der Reaktionsoberfläche 12 angeordnet, um die Reaktionsoberfläche 12 dazwischen anzuordnen.
Die Dichtung 71 weist einen Außenumfangs-Dichtungsabschnitt 72 und Verteiler-Dichtungsabschnitte 73 auf. Der Außenumfangs-Dichtungsabschnitt 72 ist längs eines Außenumfangs des Separators 11 über den gesamten Umfang vorgesehen. Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73 um jedes der Verteilerlöcher 13 über den gesamten Umfang vorgesehen. Die Verteiler-Dichtungsabschnitte 73 weisen einen Verteiler-Dichtungsabschnitt 73A zur Sauerstoff- (O₂) Zuleitung, einen Verteiler-Dichtungsabschnitt 73B zur Sauerstoff- (O₂) Ableitung, einen Verteiler-Dichtungsabschnitt 73C zur Wasserstoff- (H₂) Zuleitung, einen Verteiler-Dichtungsabschnitt 73D zur Wasserstoff- (H₂) Ableitung, einen Verteiler-Dichtungsabschnitt 73E zur Kühlwasserzuleitung und einen Verteiler-Dichtungsabschnitt 73F zur Kühlwasserableitung auf.
Der Separator 11 weist eine erste Separatorkomponente 21 und eine zweite Separatorkomponente 31 auf, wie in 2 dargestellt. Die erste Separatorkomponente 21 ist eine pressbearbeitbare Metallplatte. Die zweite Separatorkomponente 31 ist eine pressbearbeitbare Metallplatte. Die erste Separatorkomponente 21 und die zweite Separatorkomponente 31 sind miteinander verbunden, während sie in der Dickenrichtung übereinanderliegen. Dadurch wird ein pressbearbeitbarer metallischer bipolarer Separator gebildet. Die erste Separatorkomponente 21 und die zweite Separatorkomponente 31 sind an Verbindungsabschnitten 35 verbunden.
Das Folgende beschreibt Konfigurationen des Außenumfangs-Dichtungsabschnitt 72 und der Verteiler-Dichtungsabschnitte 73. Da der Außenumfangs-Dichtungsabschnitt 72 und die Verteiler-Dichtungsabschnitte 73 dieselben Querschnittsformen aufweisen, beschreibt das Folgende den Außenumfangs-Dichtungsabschnitt 72.
Die erste Separatorkomponente 21 weist auf einer Oberseite einen ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23 auf, wie in 2 dargestellt. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 steht zur zweiten Separatorkomponente 31 auf einer Unterseite vor. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 wird durch Pressbearbeitung gebildet. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 weist ein Paar linker und rechter Seitenabschnitte 23a (erste Seitenabschnitte) mit einer konischen Oberflächenform und einen unteren Abschnitt 23b (ersten unteren Abschnitt) mit einer flachen Form auf. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 weist eine Rückseite auf, die in einer zur Vorsprungsrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 entgegengesetzten Richtung weist. Es ist eine Dichtungsbefestigungsnut 24 am ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23 so ausgebildet, dass sie sich auf einer Seite der Rückseite (auf einer Seite ihrer Oberseite in 2) befindet. Die Dichtungsbefestigungsnut 24 hält eine lippenförmige Dichtung 81. Die lippenförmige Dichtung 81 wird unten beschrieben.
Die zweite Separatorkomponente 31 weist einen zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 auf. Der dreidimensionale Formabschnitt 33 steht in dieselbe Richtung wie der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 vor, während eine Position des dreidimensionalen Formabschnitts 33 auf seiner flachen Oberfläche an eine Position des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 angepasst ist. Der zweite dreidimensionale Formabschnitt 33 wird durch Pressbearbeitung gebildet. Der zweite dreidimensionale Formabschnitt 33 weist ein Paar linker und rechter Seitenabschnitte 33a (zweite Seitenabschnitte) mit einer konischer Oberflächenform und einen unteren Abschnitt 33b (zweiten unteren Abschnitt) mit einer flachen Form auf. Der zweite dreidimensionale Formabschnitt 33 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Der zweite dreidimensionale Formabschnitt 33 weist eine Rückseite auf, die in einer zur Vorsprungsrichtung des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33 entgegengesetzten Richtung weist. Es ist eine dreidimensionale Formpassnut 34 am zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 so ausgebildet, dass sie sich auf einer Seite der Rückseite (auf einer Seite ihrer Oberseite in 2) befindet. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 ist in die dreidimensionale Formpassnut 34 eingepasst und aufgenommen.
Die Dichtung 71 ist eine doppelseitige Dichtung, die durch eine Kombination der lippenförmigen Dichtung 81 und einer flach geformten Dichtung 91 gebildet wird.
Die lippenförmige Dichtung 81 wird durch die Dichtungsbefestigungsnut 24 der ersten Separatorkomponente 21 gehalten.
Die lippenförmige Dichtung 81 weist einen Dichtungsbasisabschnitt 82, eine Dichtlippe 83 und eine Paar vorsprungsförmiger Aufnahmeabschnitte 84 auf. Der Dichtungsbasisabschnitt 82, die Dichtlippe 83 und die Aufnahmeabschnitte 84 sind ineinander integriert. Der Dichtungsbasisabschnitt 82 weist eine flache Form auf und wird in der Befestigungsnut 24 gehalten. Die Dichtlippe 83 weist einen bergförmigen Querschnitt auf. Die Dichtlippe 83 ist auf einer flachen Oberfläche des Dichtungsbasisabschnitts 82 und in der Mitte der Breitenrichtung des Dichtungsbasisabschnitts 82 vorgesehen. Ein Paar der Aufnahmeabschnitte 84 ist auf der flachen Oberfläche des Dichtungsbasisabschnitts 82 und auf beiden Seiten der Dichtlippe 83 in der Breitenrichtung so vorgesehen, dass sie sich in einem Abstand voneinander befinden. Die Dichtlippe 83 weist ein distales Ende mit einem bogenförmigen Querschnitt auf, um leicht einen Spitzenflächendruck zu erzeugen. Im Gegensatz dazu weisen die Aufnahmeabschnitte 84 jeweils ein distales Ende auf, das in einer flachen Form ausgebildet ist, um leicht eine Aufnahmefunktion auszuüben. Eine Höhe des Aufnahmeabschnitts 84 ist kleiner als eine Höhe der Dichtlippe 83. Ein Paar der Aufnahmeabschnitte 84 weist Höhen auf, die im Wesentlichen zueinander gleich sind. Der Abstand zwischen einem Paar der Aufnahmeabschnitte 84 ist kleiner als eine Breite des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Insbesondere ist ein Abstand w1 zwischen distalen Endabschnitten eines Paars der Aufnahmeabschnitte 84 kleiner als eine Breite w2 des unteren Abschnitts 33b des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Die lippenförmige Dichtung 81 wird durch ein Spritzgussverfahren geformt. Die lippenförmige Dichtung 81 ist aus einem Gummimaterial wie einem auf Silikonbasis, Ethylen/Propylen/Dien-Kautschuk (EPDM), einem auf Fluorbasis oder Polyisobutylen (PIB) ausgebildet.
Die flach geformte Dichtung 91 wird auf einer Außenflächenseite am unteren Abschnitt 33b des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33 gehalten.
Die flach geformte Dichtung 91 ist in einer flachen Form und in eine Dünnfilmform ausgebildet. Eine Breite w3 der flach geformten Dichtung 91 ist größer als eine Breite w4 der Dichtlippe 83. Die Breite w3 der flach geformten Dichtung 91 ist kleiner als der Abstand w1 zwischen den distalen Endabschnitten eines Paars der Aufnahmeabschnitte 84. Die Breite w3 der flach geformten Dichtung 91 ist kleiner als die Breite w2 des unteren Abschnitts 33b des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Die flach geformte Dichtung 91 wird durch Auftragen einer Gummilösung oder Flüssiggummi durch Siebdruck gebildet. Alternativ kann die flach geformte Dichtung 91 durch ein Tintenstrahlverfahren, ein Stempelverfahren oder dergleichen gebildet werden. Die flach geformte Dichtung 91 ist aus einem Gummimaterial wie einem auf Silikonbasis, EPDM-Kautschuk, einem auf Fluorbasis oder PIB ausgebildet.
Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 und der zweite dreidimensionale Formabschnitt 33 werden jeweils durch Pressbearbeitung gebildet. Aus diesem Grund ist die folgende Konfiguration gegen einen Maßfehler zur Zeit der Pressbearbeitung und eine Positionsabweichung auf der flachen Oberfläche zur Zeit der Verbindung der Separatorkomponenten miteinander vorgesehen.
Eine Breite des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 ist kleiner als eine Breite des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Eine Breite des unteren Abschnitts 23b des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 ist kleiner als eine Breite des unteren Abschnitts 33b des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Es ist ein Spalt c in der Breitenrichtung zwischen dem Seitenabschnitt 23a des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 und dem Seitenabschnitt 33a des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33 vorgesehen, die einander gegenüberliegen. Wenn folglich ein Maßfehler und eine Positionsabweichung innerhalb eines Bereichs des Spalts c liegen, können der Maßfehler und die Positionsabweichung absorbiert werden, was es folglich ermöglicht, dass der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 in den zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 eingepasst werden kann. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 wird in die dreidimensionale Formpassnut 34 eingepasst, und die erste Separatorkomponente 21 und die zweite Separatorkomponente 31 werden miteinander verbunden. In diesem Zustand befindet sich der untere Abschnitt 23b des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 und der untere Abschnitt 33b des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33 in einem Zustand, in dem sie sich gegenseitig berühren, und der Seitenabschnitt 23a des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 und der Seitenabschnitt 33a des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33 befinden sich jedoch in einem Zustand, in dem sie voneinander getrennt sind, ohne sich gegenseitig zu berühren.
Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73A zur Sauerstoffzuleitung führt zur Zeit eines Betriebs einer Brennstoffzellenbatterie aus dem Zuleitungsverteilerloch 13A der Reaktionsoberfläche 12 Sauerstoff zu. Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73B zur Sauerstoffableitung leitet zur Zeit des Betriebs der Brennstoffzellenbatterie den Sauerstoff von der Reaktionsoberfläche 12 zum Ableitungsverteilerloch 13B ab.
Es ist ein Spaltraum 41 an einem Teil am Dichtungsumfang und zwischen dem ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23 und dem zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 vorgesehen, wie in 4A dargestellt. Es sind eine erste Öffnung 42 und eine zweite Öffnung 43 an der ersten Separatorkomponente 21 vorgesehen, so dass sie sich an beiden jeweiligen Endabschnitten des Spaltraums 41 befinden. Dadurch wird ein Fluidströmungsweg 44 bereitgestellt. Der Fluidströmungsweg 44 durchquert die lippenförmige Dichtung 81 und die flach geformte Dichtung 91 in der Breitenrichtung. Es strömt Sauerstoff durch den Fluidströmungsweg 44.
Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 weist einen dreidimensionalen Abschnitt 45 auf. Der dreidimensionale Abschnitt 45 wird durch Pressbearbeitung gebildet. Der dreidimensionale Abschnitt 45 weist in einem gesamten Bereich des unteren Abschnitts 23b eine in 4B dargestellte Querschnittsform, ein Paar der Seitenabschnitte 23a und flache Abschnitte 22 auf, um die Breitenrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 zu durchqueren. Der untere Abschnitt 23b und ein Paar der Seitenabschnitte 23a bilden den ersten dreidimensionale Formabschnitt 23, und die flachen Abschnitte 22 sind auf beiden Seiten des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 in der Breitenrichtung angeordnet. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 einschließlich des dreidimensionalen Abschnitts 45 ist in den zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 eingepasst, während der untere Abschnitt 23b und der untere Abschnitt 33b miteinander in Kontakt gebracht werden. Dadurch wird der Spaltraum 41 zu einem tunnelförmigen Raum. Folglich wird ein Fluidströmungsweg 44 zur Sauerstoffzuleitung in der Richtung der Pfeile gebildet, wie in 5 dargestellt. Dieser Fluidströmungsweg 44 führt vom Zuleitungsverteilerloch 13A über die erste Öffnung 42, den Spaltraum 41 und die zweite Öffnung 43 zur Reaktionsoberfläche 12. Ferner ist ein Fluidströmungsweg 44 zur Sauerstoffableitung in der zu den Pfeilen entgegengesetzten Richtung ausgebildet. Dieser Fluidströmungsweg 44 führt von der Reaktionsoberfläche 12 über die zweite Öffnung 43, den Spaltraum 41 und die erste Öffnung 42 zum Ableitungsverteilerloch 13B.
Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73C zur Wasserstoffzuleitung führt zur Zeit eines Betriebs der Brennstoffzellenbatterie Wasserstoff vom Zuleitungsverteilerloch 13C der Reaktionsoberfläche 12 zu. Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73D zur Wasserstoffableitung leitet zur Zeit des Betriebs der Brennstoffzellenbatterie den Wasserstoff von der Reaktionsoberfläche 12 zum Ableitungsverteilerloch 13D ab.
Es ist ein Spaltraum 51 an einem Teil am Dichtungsumfang und zwischen dem ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23 und dem zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 vorgesehen, wie in 6A dargestellt. Es sind eine erste Öffnung 52 und eine zweite Öffnung 53 an der zweiten Separatorkomponente 31 vorgesehen, so dass sie sich an beiden jeweiligen Endabschnitten des Spaltraums 51 befinden. Dadurch wird ein Fluidströmungsweg 54 bereitgestellt. Der Fluidströmungsweg 54 durchquert die lippenförmige Dichtung 81 und die flach geformte Dichtung 91 in der Breitenrichtung. Es strömt Wasserstoff durch den Fluidströmungsweg 54.
Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 weist einen dreidimensionalen Abschnitt 55 auf. Der dreidimensionale Abschnitt 55 wird durch Pressbearbeitung gebildet. Der dreidimensionale Abschnitt 55 weist in einem gesamten Bereich des unteren Abschnitts 23b eine in 6B dargestellte Querschnittsform, ein Paar der Seitenabschnitte 23a und die flachen Abschnitte 22 auf, um die Breitenrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 zu durchqueren. Der untere Abschnitt 23b und ein Paar der Seitenabschnitte 23a bilden den ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23, und die flachen Abschnitte 22 sind auf beiden Seiten des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 in der Breitenrichtung angeordnet. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 einschließlich des dreidimensionalen Abschnitts 55 ist in den zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 eingepasst, während der untere Abschnitt 23b und der untere Abschnitt 33b miteinander in Kontakt gebracht werden. Dadurch wird Spaltraum 51 zu einem tunnelförmigen Raum. Folglich wird ein Fluidströmungsweg 54 zur Wasserstoffzuleitung in der Richtung der Pfeile gebildet, wie in 7 dargestellt. Dieser Fluidströmungsweg 54 führt vom Zuleitungsverteilerloch 13C über die erste Öffnung 52, den Spaltraum 51 und die zweite Öffnung 53 zur Reaktionsoberfläche 12. Ferner ist ein Fluidströmungsweg 54 zur Wasserstoffableitung in der zu den Pfeilen entgegengesetzten Richtung ausgebildet. Dieser Fluidströmungsweg 54 führt von der Reaktionsoberfläche 12 über die zweite Öffnung 53, den Spaltraum 51 und die erste Öffnung 52 zum Ableitungsverteilerloch 13D.
Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73E zur Kühlwasserzuleitung führt zur Zeit eines Betriebs der Brennstoffzellenbatterie vom Zuleitungsverteilerloch 13E der Reaktionsoberfläche 12 Kühlwasser zu. Der Verteiler-Dichtungsabschnitt 73F zur Kühlwasserableitung leitet zur Zeit des Betriebs der Brennstoffzellenbatterie das Kühlwasser von der Reaktionsoberfläche 12 zum Ableitungsverteilerloch 13F ab.
Es ist ein Spaltraum 61 an einem Teil am Dichtungsumfang und zwischen dem ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23 und dem zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 vorgesehen, wie in 8A dargestellt. Dadurch wird ein Fluidströmungsweg 64 bereitgestellt. Der Fluidströmungsweg 64 durchquert die lippenförmige Dichtung 81 und die flach geformte Dichtung 91 in der Breitenrichtung. Es strömt Kühlwasser durch den Fluidströmungsweg 64.
Der erste dreidimensionale Formabschnitt weist einen dreidimensionalen Abschnitt 65 auf. Der dreidimensionale Abschnitt 65 wird durch Pressbearbeitung gebildet. Der dreidimensionale Abschnitt 65 weist in einem gesamten Bereich des unteren Abschnitts 23b eine in 8B dargestellte Querschnittsform, ein Paar der Seitenabschnitte 23a und die flachen Abschnitte 22 auf, um die Breitenrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 zu durchqueren. Der untere Abschnitt 23b und ein Paar der Seitenabschnitte 23a bilden den ersten dreidimensionalen Formabschnitt 23, und die flachen Abschnitte 22 sind auf beiden Seiten des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 in der Breitenrichtung angeordnet. Der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 einschließlich des dreidimensionalen Abschnitts 65 ist in den zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33 eingepasst, während der untere Abschnitt 23b und der untere Abschnitt 33b miteinander in Kontakt gebracht werden. Dadurch wird der Spaltraum 61 zu einem tunnelförmigen Raum.
Kühlwasser ist im Unterschied zu Sauerstoff und Wasserstoff kein Reaktionspartner. Folglich strömt das Kühlwasser durch ein Inneres (einem Innenraum zwischen der ersten Separatorkomponente 21 und der zweiten Separatorkomponente 31) des bipolaren Separators auch in einem Bereich der Reaktionsoberfläche 12 und strömt dadurch in das Ableitungsverteilerloch 13F. Aus diesem Grund setzt sich ein Innenraum 66 vom Spaltraum 61 zwischen der ersten Separatorkomponente 21 und der zweiten Separatorkomponente 31 auch in einem Bereich fort, der näher zur Reaktionsoberfläche 12 als der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 und der zweite dreidimensionale Formabschnitt 33 liegt. Das Innenraum 66 weist eine Querschnittsform auf, die ähnlich zu der des Spaltraums 61 ist.
Ein Innenraum 67 setzt sich vom Spaltraum 61 zwischen der ersten Separatorkomponente 21 und der zweiten Separatorkomponente 31 auch jeweils in einem Bereich des Zuleitungsverteilerlochs 13E und einem Bereich des Ableitungsverteilerlochs 13F fort. Der Innenraum 67 weist eine Querschnittsform auf, die ähnlich zu der des Spaltraums 61 ist.
Dadurch wird der Fluidströmungsweg 64 zur Kühlwasserzuleitung in der Richtung der Pfeile gebildet, so dass er vom Zuleitungsverteilerloch 13E über den Innenraum 67 und den Spaltraum 61 zum Innenraum 66 führt, wie in 9 dargestellt. Ferner ist der Fluidströmungsweg 64 zur Kühlwasserableitung in der zu den Pfeilen entgegengesetzten Richtung so ausgebildet, dass er vom Innenraum 66 über den Spaltraum 61 und den Innenraum 67 zum Ableitungsverteilerloch 13F führt.
Es kann jeweils in einem Bereich des Verteilerlochs 13E zur Kühlwasserzuleitung und einem Bereich des Verteilerlochs 13F zur Kühlwasserableitung anstelle des Innenraums 67 eine Öffnung 62 vorgesehen sein, wie in 10 dargestellt.
Die separatorintegrierten Dichtungen 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden zusammen mit Elektrolytmembranen 101 und Gasdiffusionsschichten 102, 103 als ein Brennstoffzellenbatteriestapel zusammengebaut, wie in 3 dargestellt. Die Elektrolytmembran 101 und die Gasdiffusionsschichten 102, 103 sind Bestandselemente einer Brennstoffzelle. Die zwischen einem Paar der Gasdiffusionsschichten 102, 103 eingelegte Elektrolytmembran 101 weist einen größeren flachen Oberflächenbereich als jeweils die Gasdiffusionsschichten 102, 103 auf. Folglich weist die Elektrolytmembran 101 einen Umfangskantenabschnitt 101a auf, der sich auf einer Außenseite der Gasdiffusionsschichten 102, 103 befindet. Der Umfangskantenabschnitt 101a ist zwischen der lippenförmigen Dichtung 81 und der flach geformten Dichtung 91 eingeklemmt. Dadurch üben die lippenförmige Dichtung 81 und die flach geformte Dichtung 91 eine Dichtwirkung aus, um einen Austritt von Sauerstoff, Wasserstoff oder Kühlwasser zu verhindern.
Die lippenförmige Dichtung 81 der separatorintegrierten Dichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist den Dichtungsbasisabschnitt 82 und die Dichtlippe 83 auf. Die Dichtlippe 83 ist integral auf der flachen Oberfläche des Dichtungsbasisabschnitts 82 vorgesehen. Die flach geformte Dichtung 91 ist eine flache ohne eine Dichtlippe. Folglich weist die lippenförmige Dichtung 81 eine größere Höhe (Dicke) als die flach geformte Dichtung 91 auf.
13 stellt ein Vergleichsbeispiel dar, in dem weder eine erste Separatorkomponente 21 noch eine zweite Separatorkomponente 31 einen dreidimensionalen Formabschnitt aufweisen und die erste Separatorkomponente 21 und die zweite Separatorkomponente 31 flach geformt sind. In diesem Fall bewirkt ein Unterschied der Höhe (Dicke) zwischen der lippenförmigen Dichtung 81 und der flach geformten Dichtung 91, dass zur Zeit der Stapelmontage der Umfangskantenabschnitt 101a der Elektrolytmembran 101 zu einer Seite (einer Oberseite in 13) in der Dickenrichtung durch die lippenförmige Dichtung 81 angehoben wird. Der zwischen der lippenförmigen Dichtung 81 und der flach geformten Dichtung 91 eingeklemmte Umfangskantenabschnitt 101a wird folglich um einen von einer solchen Hebung abhängigen Betrag verformt.
Im Gegensatz dazu weisen die erste und zweite Separatorkomponente 21, 31 der separatorintegrierten Dichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform jeweils dreidimensionale Formabschnitte 23, 33 auf. Daher wird verhindert, dass der Umfangskantenabschnitt 101a, der zur Elektrolytmembran 101 gehört und zwischen der lippenförmigen Dichtung 81 und der flach geformten Dichtung 91 eingeklemmt ist, zur Zeit der Stapelmontage zu einer Seite (einer Oberseite in 3) in der Dickenrichtung durch die lippenförmige Dichtung 81 angehoben wird, wie in 3 dargestellt. Die Elektrolytmembran 101 bleibt folglich annähernd flach geformt, ohne wesentlich verformt zu werden.
Folglich kann verhindert werden, dass die Elektrolytmembran 101 durch die lippenförmige Dichtung 81 angehoben und verformt wird. Es kann folglich verhindert werden, dass ihre Haltbarkeit abnimmt.
Eine Höhe des dreidimensionalen Formabschnitts 33 der zweiten Separatorkomponente 31 wird vorzugsweise so eingestellt, dass sie im Wesentlichen gleich oder annähernd im Wesentlichen gleich einer Dicke der Gasdiffusionsschicht 102 ist, die zwischen der zweiten Separatorkomponente 31 und der Elektrolytmembran 101 angeordnet ist.
Gemäß der separatorintegrierten Dichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 kleiner als die Breite des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Der Spalt c in der Breitenrichtung ist zwischen dem Seitenabschnitt 23a des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 und dem Seitenabschnitt 33a des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33 vorgesehen, die einander gegenüberliegen. Selbst wenn folglich Maßfehler zur Zeit der Pressbearbeitung der ersten Separatorkomponente 21 und der zweiten Separatorkomponente 31 auftreten, oder eine Positionsabweichung auf der flachen Oberfläche zur Zeit der gegenseitigen Verbindung der ersten Separatorkomponente 21 und der zweiten Separatorkomponente 31 auftritt, kann der erste dreidimensionale Formabschnitt 23 in den zweiten dreidimensionale Formabschnitt 33 eingepasst werden.
Die separatorintegrierte Dichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit den Spalträumen 41, 51 und 61 versehen. Die Spalträume 41, 51 und 61 befinden sich jeweils an einem Teil am Umfang und zwischen dem unteren Abschnitt 23b des ersten dreidimensionalen Formabschnitts 23 und dem unteren Abschnitt 33b des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Dadurch werden die Fluidströmungswege 44, 54 und 64 gebildet. Die Fluidströmungsweg 44, 54 und 64 durchqueren die lippenförmige Dichtung 81 und die flach geformte Dichtung 91 in der Breitenrichtung. Reaktionspartner (O₂ und H₂) und Kühlwasser strömen über die Fluidströmungswege 44, 54 und 64 aus den Zuleitungsverteilerlöchern 13A, 13C und 13E zur Reaktionsoberfläche 12 und von der Reaktionsoberfläche 12 zu den Ableitungsverteilerlöchern 13B, 13D und 13F.
Die lippenförmige Dichtung 81 der separatorintegrierten Dichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit einem Paar der vorsprungsförmigen Aufnahmeabschnitte 84 versehen. Der Abstand zwischen einem Paar der Aufnahmeabschnitte 84 ist kleiner als die Breite des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts 33. Folglich halten beide eines Paars der Aufnahmeabschnitte 84 gleichzeitig den auf einer Oberseite dieser Aufnahmeabschnitte 84 angeordneten zweiten dreidimensionalen Formabschnitt 33, wie in 3 dargestellt. Selbst wenn folglich eine teilweise übermäßige Kompression oder Positionsabweichung zwischen den Separatoren 11 zur Zeit der Stapelmontage auftritt, kann verhindert werden, dass die Separatoren 11 verformt oder geneigt werden, und mehrere der gestapelten Separatoren 11 können zueinander parallel gehalten werden.
Die Aufnahmeabschnitte 84 können abhängig von der Zweckmäßigkeit von Produktspezifikationen oder dergleichen weggelassen werden, wie in 12 einer anderen Ausführungsform dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Separatorintegrierte Dichtung
11: Separator
12: Reaktionsoberfläche
13: Verteilerloch
13A: Verteilerloch zur Sauerstoffzuleitung
13B: Verteilerloch zur Sauerstoffableitung
13C: Verteilerloch zur Wasserstoffzuleitung
13D: Verteilerloch zur Wasserstoffableitung
13E: Verteilerloch zur Kühlwasserzuleitung
13F: Verteilerloch zur Kühlwasserableitung
21: Erste Separatorkomponente
22, 32: Flacher Abschnitt
23: Erster dreidimensionaler Formabschnitt
23a, 33a: Seitenabschnitt
23b, 33b: Unterer Abschnitt
24: Dichtungsbefestigungsnut
31: Zweite Separatorkomponente
33: Zweite dreidimensionalen Formabschnitt
34: Dreidimensionale Formpassnut
35: Verbindungsabschnitt
41, 51, 61: Spaltraum
42, 43, 52, 53, 62: Öffnung
44, 54, 64: Fluidströmungsweg
45, 55, 65: Dreidimensionaler Abschnitt
66, 67: Innenraum
71: Dichtung
72: Außenumfangs-Dichtungsabschnitt
73: Verteiler-Dichtungsabschnitt
73A: Verteiler-Dichtungsabschnitt zur Sauerstoffzuleitung
73B: Verteiler-Dichtungsabschnitt zur Sauerstoffableitung
73C: Verteiler-Dichtungsabschnitt zur Wasserstoffzuleitung
73D: Verteiler-Dichtungsabschnitt zur Wasserstoffableitung
73E: Verteiler-Dichtungsabschnitt zur Kühlwasserzuleitung
73F: Verteiler-Dichtungsabschnitt zur Kühlwasserableitung
81: Lippenförmige Dichtung
82: Dichtungsbasisabschnitt
83: Dichtlippe
84: Aufnahmeabschnitt
91: Flach geformten Dichtung
101: Elektrolytmembran
101a: Umfangskantenabschnitt
102, 103: Gasdiffusionsschicht
c: Spalt

Claims

Separatorintegrierte Dichtung für eine Brennstoffzellenbatterie, die aufweist: eine lippenförmige Dichtung; eine erste Separatorkomponente, die aus einer pressbearbeitbaren Metallplatte besteht und einen ersten dreidimensionalen Formabschnitt aufweist, wobei die erste Separatorkomponente eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer zur Vorsprungsrichtung des ersten dreidimensionalen Formabschnitts entgegengesetzten Seite befindet und auf der eine Dichtungsbefestigungsnut ausgebildet ist, wobei die Dichtungsbefestigungsnut die lippenförmige Dichtung hält; eine zweite Separatorkomponente, die aus einer pressbearbeitbaren Metallplatte besteht und einen zweiten dreidimensionalen Formabschnitt aufweist, wobei die zweite Separatorkomponente eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer zur Vorsprungsrichtung des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts entgegengesetzten Seite befindet und an der eine dreidimensionale Formpassnut ausgebildet ist, wobei die dreidimensionale Formpassnut den ersten dreidimensionalen Formabschnitt aufnimmt; und eine flach geformte Dichtung, die an einer Außenflächenseite am zweiten dreidimensionalen Formabschnitt gehalten wird, wobei der erste dreidimensionale Formabschnitt und der zweite dreidimensionale Formabschnitt in einer selben Richtung vorstehen, während deren Positionen auf einer flachen Oberfläche aneinander angepasst sind, und die erste Separatorkomponente und die zweite Separatorkomponente miteinander verbunden sind, während sie in einer Dickenrichtung übereinanderliegen.
Separatorintegrierte Dichtung nach Anspruch 1, wobei der erste dreidimensionale Formabschnitt eine kleinere Breite als eine Breite des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts aufweist, der erste dreidimensionale Formabschnitt einen ersten Seitenabschnitt aufweist, der zweite dreidimensionale Formabschnitt einen zweiten Seitenabschnitt aufweist, der erste Seitenabschnitt und der zweite Seitenabschnitt einander gegenüberliegen, und ein Spalt zwischen dem ersten Seitenabschnitt und dem zweiten Seitenabschnitt vorgesehen ist.
Separatorintegrierte Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste dreidimensionale Formabschnitt einen ersten unteren Abschnitt aufweist, der zweite dreidimensionale Formabschnitt einen zweiten unteren Abschnitt aufweist, und ein Fluidströmungsweg an einem Teil an einem Umfang und zwischen dem ersten unteren Abschnitt und dem zweiten unteren Abschnitt vorgesehen ist, wobei der Fluidströmungsweg die lippenförmige Dichtung und die flach geformte Dichtung in einer Breitenrichtung durchquert.
Separatorintegrierte Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die lippenförmige Dichtung aufweist: einen Dichtungsbasisabschnitt, der in der Dichtungsbefestigungsnut gehalten wird; eine Dichtlippe, die auf einer flachen Oberfläche des Dichtungsbasisabschnitts vorgesehen ist; und ein Paar vorsprungsförmiger Aufnahmeabschnitte, die auf der flachen Oberfläche des Dichtungsbasisabschnitts und auf beiden Seiten der Dichtlippe in einer Breitenrichtung vorgesehen sind, wobei ein Abstand zwischen dem Paar der Aufnahmeabschnitte kleiner ist als eine Breite des zweiten dreidimensionalen Formabschnitts.