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Querverweis auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität basierend auf der
japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2013-207086 , welche am 2. Oktober 2013 angemeldet wurde und deren gesamte Offenbarung hiermit durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft einen Separator, welcher in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und eine Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Einige herkömmliche Separatoren, welche in einer Brennstoffzelle verwendet werden, besitzen eine unebene Gestalt, die durch eine Pressbearbeitung ausgebildet wird, um einen nutförmigen Reaktionsgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche und einen nutförmigen Kühlwasser-Strömungspfad auf einer entgegengesetzten Oberfläche zu schaffen. Patentliteratur 1 lehrt beispielsweise einen Separator mit einem nutförmigen Strömungspfad, welcher sich in einer gewundenen Art und Weise erstreckt, der auf einer Oberfläche als ein Brenngas(Wasserstoff)-Strömungspfad ausgebildet ist, und einem nutförmigen linearen Strömungspfad, welcher auf einer entgegengesetzten Oberfläche als ein Kühlwasser-Strömungspfad ausgebildet ist. Bei diesem Separator weist der Brenngas-Strömungspfad einen Bereich auf, bei welchem sich die Richtungen des Strömungspfads verändern, so dass sich sowohl der Brenngas-Strömungspfad als auch der Kühlwasser-Strömungspfad in einer orthogonalen Richtung erstrecken. Ein flacher Nutabschnitt, welcher flacher als der andere Nutabschnitt ist, ist bei einer Brenngas-Strömungspfadnut in diesem Bereich ausgebildet. Aus Sicht des Kühlwasser-Strömungspfads ist auf der Rückseite dieses flachen Nutabschnitts eine Nut ausgebildet, welche ermöglicht, dass Kühlwasser passiert bzw. hindurch läuft. Daher sind die linearen, parallelen Kühlwasser-Strömungspfade über diese Nut verbunden, um orthogonale Kühlwasser-Strömungspfade auszubilden. Ein Abschnitt, bei welchem sich die Richtung des Brenngas-Strömungspfads oder diese des Kühlwasser-Strömungspfads verändert, ist als ein „Kurvenabschnitt” bezeichnet. Der andere Nutabschnitt, welcher tiefer als der flache Nutabschnitt ist, ist als ein „tiefer Nutabschnitt” bezeichnet.
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Literatur des Standes der Technik
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: WO 2012/160607 A
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Kurzfassung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösendes Problem
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Bei dem vorgenannten Separator unterscheidet sich die prozentuale Dehnung eines Materials zwischen dem tiefen Nutabschnitt und dem flachen Nutabschnitt bei der Pressbearbeitung. Ferner ist es nicht einfach, ein Gesenk zu bearbeiten bzw. maschinell herzustellen, welches zum Ausbilden des flachen Nutabschnitts und des tiefen Nutabschnitts bei benachbarten Positionen bei einer orthogonalen bzw. rechtwinkligen Ecke des Kurvenabschnitts verwendet wird. Dies erschwert es, die Genauigkeit einer Dicke bzw. die exakte Dicke nach der Pressbearbeitung sicherzustellen. Folglich kann ein Problem, wie ein Riss oder eine Verformung, auf einfache Art und Weise auftreten.
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Lösung des Problems
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Diese Erfindung erfolgte, um zumindest einige der vorstehenden Probleme zu lösen. Diese Erfindung kann in Form der nachfolgenden Aspekte implementiert sein.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Separator vorgesehen, welcher in einer Brennstoffzelle verwendet wird. Der Separator weist eine durch eine Pressbearbeitung ausgebildete Vertiefungs-Vorsprungs-Gestalt auf. Der Separator weist eine Fläche als eine Gaszirkulationsfläche und eine entgegengesetzte Fläche als eine Kühlfläche auf, wobei die Gaszirkulationsfläche einen Reaktionsgas-Strömungspfad mit einer Mehrzahl von Reaktionsgas-Strömungspfadnuten infolge der Vertiefungs-Vorsprungs-Gestalt besitzt und die Kühlfläche einen Kühlwasser-Strömungspfad mit einer Mehrzahl von Kühlwasser-Strömungspfadnuten infolge der Vertiefungs-Vorsprungs-Gestalt besitzt. Der Kühlwasser-Strömungspfad umfasst: einen Kreuzungs-Strömungspfadabschnitt mit benachbarten Kühlwasser-Strömungspfadnuten mit einer Reaktionsgas-Strömungspfadnut des Reaktionsgas-Strömungspfads dazwischen und einer Kommunikations-Strömungspfadnut, welche auf der Seite der Kühlfläche der Reaktionsgas-Strömungspfadnut zwischen den benachbarten Kühlwasser-Strömungspfadnuten ausgebildet ist, wobei die Kommunikations-Strömungspfadnut flacher ist als die Kühlwasser-Strömungspfadnuten; und einen Kühlwasser-Kurvenabschnitt, bei welchem sich eine Richtung der Kühlwasser-Strömungspfadnuten verändert. Ein Reaktionsgas-Kurvenabschnitt ist auf der Gaszirkulationsfläche bei einer Position auf der Rückseite des Kühlwasser-Kurvenabschnitts ausgebildet, und der Reaktionsgas-Kurvenabschnitt ist aus einem Nutabschnitt mit einer konstanten Tiefe ausgebildet.
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Gemäß dem Separator dieses Aspekts ist die prozentuale Dehnung eines Materials bei dem Kurvenabschnitt der Reaktionsgas-Strömungspfadnuten bei der Pressbearbeitung konstant gehalten, da der Reaktionsgas-Kurvenabschnitt aus dem Nutabschnitt mit einer konstanten Tiefe ausgebildet ist, was ermöglicht, ein Problem, wie ein Brechen bzw. einen Riss oder eine Verformung, zu verringern.
- (2) Bei dem vorstehenden Aspekt kann der Nutabschnitt des Reaktionsgas-Kurvenabschnitts mit der konstanten Tiefe einem flachen Nutabschnitt entsprechen, welcher die gleiche Tiefe besitzt wie eine Tiefe auf der Gaszirkulationsfläche bei einer Position entsprechend einer Position, bei welcher die Kommunikations-Strömungspfadnut ausgebildet ist, oder dieser kann einem tiefen Nutabschnitt entsprechen, welcher die gleiche Tiefe besitzt wie eine Tiefe auf der Gaszirkulationsfläche bei einer Position entsprechend einer Position, bei welcher die Kommunikations-Strömungspfadnut nicht ausgebildet ist.
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Dies kann die Ausbildung des Reaktionsgas-Kurvenabschnitts vereinfachen, während die prozentuale Dehnung eines Materials bei dem Kurvenabschnitt der Reaktionsgas-Strömungspfadnuten bei der Pressbearbeitung konstant gehalten wird, was ermöglicht, ein Problem, wie ein Brechen bzw. einen Riss oder eine Verformung, zu verringern.
- (3) Bei dem vorstehenden Aspekt kann sowohl der Reaktionsgas-Kurvenabschnitt als auch der Kühlwasser-Kurvenabschnitt eine Kontur mit einer nicht kantigen bzw. winkeligen, gleichmäßigen Krümmung besitzen.
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Dies vereinfacht es, den Reaktionsgas-Kurvenabschnitt der Reaktionsgas-Strömungspfadnuten und den Kühlwasser-Kurvenabschnitt der Kühlwasser-Strömungspfadnuten zu gestalten, was ermöglicht, ein Problem, wie ein Brechen bzw. einen Riss oder eine Verformung, zu verringern.
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Diese Erfindung kann zusätzlich zu dem Separator des vorgenannten Aspekts in Form verschiedener Aspekte implementiert sein. Diese Erfindung kann beispielsweise in Form von Aspekten, wie einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle mit dem Separator des vorgenannten Aspekts, einer Brennstoffzelle mit dieser Einheitszelle und einem Brennstoffzellensystem mit dieser Brennstoffzelle implementiert sein.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
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2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer Einheitszelle in einer auseinandergezogenen Art und Weise zeigt;
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3 ist eine schematische Draufsicht, welche die Struktur eines anodenseitigen Separators zeigt;
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4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche einen Teil einer Brenngas-Strömungspfadnut in einer vergrößerten Art und Weise zeigt;
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5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche einen Kurvenabschnitt in einer vergrößerten Art und Weise aus Sicht einer Kühlflächenseite zeigt, wobei sich sowohl die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut als auch diese einer Kühlwasser-Strömungspfadnut verändert; und
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6 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche einen Kurvenabschnitt eines Vergleichsbeispiels in einer vergrößerten Art und Weise aus Sicht der Kühlflächenseite zeigt, wobei sich sowohl die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut als auch diese der Kühlwasser-Strömungspfadnut verändert.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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A. Ausführungsform
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1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer Brennstoffzelle 10 zeigt. Die Brennstoffzelle 10 besitzt eine Stapelstruktur mit einer Mehrzahl von Einheitszellen 100, welche in einer Z-Richtung entsprechend einer horizontalen Richtung (nachfolgend ebenso als „Stapelrichtung” bezeichnet) gestapelt sind, und einem Paar von Endplatten 170F und 170E, welche die Einheitszellen 100 dazwischen halten. Zwischen der Endplatte 170F auf einer vorderen Endseite und den Einheitszellen 100 ist eine Anschlussplatte 160F auf der vorderen Endseite mit einer Isolationsplatte 165F auf der vorderen Endseite zwischen diesen vorgesehen. In gleicher Art und Weise ist zwischen der Endplatte 170E auf einer hinteren Endseite und den Einheitszellen 100 eine Anschlussplatte 160E auf der hinteren Endseite mit einer Isolationsplatte 165E auf der hinteren Endseite zwischen diesen vorgesehen. Die Einheitszellen 100, die Anschlussplatten 160F und 160E, die Isolationsplatten 165F und 165E und die Endplatten 170F und 170E weisen jeweils eine plattenähnliche Struktur mit einer im Wesentlichen rechtwinkligen Außengestalt auf, und diese sind in einer solchen Art und Weise angeordnet, dass sich deren lange Seiten in einer X-Richtung (horizontalen Richtung) erstrecken und deren kurze Seiten in einer Y-Richtung (Richtung der Gravitationskraft oder vertikalen Richtung) erstrecken.
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Jedes Element der Endplatte 170F, der Isolationsplatte 165F und der Anschlussplatte 160F auf der vorderen Endseite ist mit einer Brenngas-Zuführöffnung 172ein, einer Brenngas-Abführöffnung 173aus, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 174ein, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführöffnungen 174aus, einer Mehrzahl von Kühlwasser-Zuführöffnungen 176ein und einer Mehrzahl von Kühlwasser-Abführöffnungen 176aus vorgesehen. Diese Zuführöffnungen und Abführöffnungen sind mit äquivalenten Öffnungen (in den Abbildungen nicht gezeigt) gekoppelt, welche bei entsprechenden Positionen von jeder Einheitszelle 100 vorgesehen sind, um einen Zuführverteiler und einen Abführverteiler für entsprechendes Gas oder Kühlwasser auszubilden. Dabei ist jedes Element der Endplatte 170E, der Isolationsplatte 165E und der Anschlussplatte 160E auf der hinteren Endseite nicht mit diesen Zuführöffnungen und Abführöffnungen vorgesehen. Dies liegt daran, da die Brennstoffzelle 10 von einem solchen Typ ist, bei welchem Reaktionsgase (Brenngas und Oxidationsgas) und Kühlwasser ausgehend von der Endplatte 170F auf der vorderen Endseite über den Zuführverteiler zu jeder Einheitszelle 100 geführt werden, während Abgas und Abwasser von jeder Einheitszelle 100 ausgehend von der Endplatte 170 auf der vorderen Endseite über den Abführverteiler nach außen abgeführt werden. Dies stellt jedoch nicht den einzigen Typ der Brennstoffzelle 10 dar. Die Brennstoffzelle 10 kann ebenso als eine Brennstoffzelle von unterschiedlichen Typen konfiguriert sein, wie beispielsweise einem Typ zum Zuführen von Reaktionsgas und Kühlwasser ausgehend von der Endplatte 170F auf der vorderen Endseite und zum Abführen von Abgas und Abwasser ausgehend von der Endplatte 170E auf der hinteren Endseite nach außen.
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Die Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 174ein sind in der X-Richtung (Richtung der langen Seite) bei einem äußeren Kantenabschnitt bei dem unteren Ende der Endplatte 170F auf der vorderen Endseite vorgesehen. Die Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführöffnungen 174aus sind in der X-Richtung bei einem äußeren Kantenabschnitt bei dem oberen Ende der Endplatte 170F vorgesehen. Die Brenngas-Zuführöffnung 172ein ist bei einem oberen Endteil in der Y-Richtung (Richtung der kurzen Seite) eines äußeren Kantenabschnitts bei dem rechten Ende der Endplatte 170F auf der vorderen Endseite vorgesehen. Die Brenngas-Abführöffnung 172aus ist bei einem unteren Endteil in der Y-Richtung eines äußeren Kantenabschnitts bei dem linken Ende der Endplatte 170F vorgesehen. Die Mehrzahl von Kühlwasser-Zuführöffnungen 176ein sind in der Y-Richtung unterhalb der Brenngas-Zuführöffnung 172ein vorgesehen. Die Mehrzahl von Kühlwasser-Abführöffnungen 176aus sind in der Y-Richtung oberhalb der Brenngas-Abführöffnung 172aus vorgesehen.
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Die Anschlussplatte 160F auf der vorderen Endseite und die Anschlussplatte 160E auf der hinteren Endseite sind Strom-Sammelplatten, welche die in jede Einheitszelle 100 erzeugte Leistung sammeln, und diese werden dazu verwendet, um die gesammelte Leistung über einen in den Abbildungen nicht gezeigten Anschluss nach außen abzugeben.
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2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche die Struktur der Einheitszelle 100 in einer auseinandergezogenen Art und Weise zeigt. Die Einheitszelle 100 umfasst eine Membranelektroden- und Gasdiffusionsschichtanordnung (MEGA) 110, einen anodenseitigen Separator 120 und einen kathodenseitigen Separator 130 auf gegenüberliegenden Seiten der MEGA 110, welche die MEGA 110 dazwischen halten, ein Gas-Strömungspfadelement 150, welches zwischen dem kathodenseitigen Separator 130 und der MEGA 110 eingefügt ist, und ein Dichtelement 140, welches die äußere Peripherie der MEGA 110 bedeckt.
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Die MEGA 110 ist ein Leistungsgenerator mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einem Paar von Katalysator-Elektrodenschichten, die auf entgegengesetzten Seiten einer Elektrolytmembran ausgebildet sind, und einem Paar von Gasdiffusionsschichten, welche auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung ausgebildet sind. Die MEGA ist in einigen Fällen ebenso als MEA bezeichnet.
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Der anodenseitige Separator 120 und der kathodenseitige Separator 130 sind jeweils aus einem Element mit einer Gas-Barriere- bzw. Absperreigenschaft und einer Elektronenleitfähigkeit ausgebildet. Der anodenseitige Separator 120 und der kathodenseitige Separator 130 sind beispielsweise jeweils aus einem Kohlenstoffelement, wie gasundurchlässigem, kompaktem Kohlenstoff, der durch Verdichten von Kohlenstoffpartikeln vorbereitet wird, oder einem Metallelement, wie Edelstahl oder Titan, ausgebildet.
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Wie später beschrieben, ist der anodenseitige Separator 120 mit einem nutförmigen Brenngas-Strömungspfad, welcher auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die der MEGA 110 zugewandt ist, und einem nutförmigen Kühlwasser-Strömungspfad, welcher auf einer entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet ist, vorgesehen.
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Der anodenseitige Separator 120 ist mit den folgenden Öffnungen entsprechend den vorgenannten Zuführöffnungen und Abführöffnungen, welche die Verteiler ausbilden, vorgesehen: einer Brenngas-Zuführöffnung 122ein, einer Brenngas-Abführöffnung 122aus, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 124ein, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführöffnungen 124aus, einer Mehrzahl von Kühlwasser-Zuführöffnungen 126ein und einer Mehrzahl von Kühlwasser-Abführöffnungen 126aus. In gleicher Art und Weise ist der kathodenseitige Separator 130 mit einer Brenngas-Zuführöffnung 132ein, einer Brenngas-Abführöffnung 132aus, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 134ein, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführöffnungen (in den Abbildungen nicht gezeigt), einer Mehrzahl von Kühlwasser-Zuführöffnungen 136ein und einer Mehrzahl von Kühlwasser-Abführöffnungen 136aus vorgesehen. In gleicher Art und Weise ist das Dichtelement 140 mit den folgenden Öffnungen entsprechend den Zuführöffnungen und den Abführöffnungen in dem anodenseitigen Separator 120 vorgesehen: einer Brenngas-Zuführöffnung 142ein, einer Brenngas-Abführöffnung 142aus, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 144ein, einer Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführöffnungen (in den Abbildungen nicht gezeigt), einer Mehrzahl von Kühlwasser-Zuführöffnungen 146ein und einer Mehrzahl von Kühlwasser-Abführöffnungen 146aus.
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Das Gas-Strömungspfadelement 150 bildet einen Gas-Strömungspfad, welcher ermöglicht, dass Oxidationsgas, welches über die Oxidationsgas-Zuführöffnungen 134ein in dem Kathoden-Separator 130 zugeführt wird, in der Ebenenrichtung der MEGA 110 (XY-Ebenenrichtung) strömt, und welches über die Oxidationsgas-Abführöffnungen 134aus abgeführt wird. Das Gas-Strömungspfadelement 150 ist beispielsweise aus einem porösen Material mit Gasdiffusionseigenschaften und einer Leitfähigkeit, wie einem porösen Metallkörper (beispielsweise Streckmetall), ausgebildet.
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3 ist eine schematische Draufsicht, welche die Struktur des anodenseitigen Separators 120 zeigt. 3 zeigt einen Zustand aus Sicht einer Richtung einer Oberfläche des anodenseitigen Separators 120, welche einer benachbarten, unterschiedlichen Einheitszelle 100 benachbart zu diesem anodenseitigen Separator 120 zugewandt ist, und über welche ein Kühlmittel strömt (nachfolgend ebenso als eine „Kühlfläche” bezeichnet). Eine Fläche, welche entgegengesetzten zu der Kühlfläche angeordnet ist und der MEGA 110 zugewandt ist, ist ebenso als eine „Gaszirkulationsfläche” bezeichnet. Wie vorstehend beschrieben, ist der äußere Umfangsabschnitt des anodenseitigen Separators 120 mit den nachfolgenden Öffnungen als die Zuführöffnungen und die Abführöffnungen für Reaktionsgas und Kühlwasser vorgesehen: die Brenngas-Zuführöffnung 122ein, die Brenngas-Abführöffnung 122aus, die Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 124ein, die Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführöffnungen 124aus, die Mehrzahl von Kühlwasser-Zuführöffnungen 126ein und die Mehrzahl von Kühlwasser-Abführöffnungen 126aus. Wie in 2 gezeigt ist, besitzt ein Strömungspfad-Ausbildungsbereich bzw. ein Bereich mit dem ausgebildeten Strömungspfad 121 (1), welcher bei einer inneren Seite dieser Zuführöffnungen und Abführöffnungen ausgebildet ist, eine Vertiefungs-Vorsprungs-Querschnittsgestalt (wellige Querschnittsgestalt) mit Vorsprüngen 202Z und Vertiefungen 204Z (ebenso als „Nuten 204Z” bezeichnet), welche auf der Seite der Kühlfläche abwechselnd ausgebildet sind. Diese Vertiefungs-Vorsprungs-Querschnittsgestalt wird beispielsweise durch eine Pressbearbeitung einer flachen Platte ausgebildet. Die Rückseite der Vorsprünge 202Z auf der Kühlfläche bildet Brenngas-Strömungspfadnuten 202 auf der Gaszirkulationsfläche aus. Die Rückseite der Nuten 204Z auf der Kühlfläche bildet Rippen 204 zum Aufteilen der Brenngas-Strömungspfadnuten 202 auf der Gaszirkulationsfläche. Die Nuten 204Z auf der Kühlfläche dienen als Kühlwasser-Strömungspfadnuten (nachfolgend ebenso als „Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z” bezeichnet). Ein Brenngas-Strömungspfad 200, welcher aus einer Mehrzahl von Brenngas-Strömungspfadnuten 202 aufgebaut ist, ist auf der Gaszirkulationsfläche derart ausgebildet, dass dieser ausgehend von der Brenngas-Zuführöffnung 122ein in Richtung hin zu der Brenngas-Abführöffnung 122aus in einer gewundenen Art und Weise angeordnet ist. In der nachfolgenden Beschreibung gibt ein Bezugszeichen mit einer Zahl und einem nachfolgenden „Z” ein Element oder einen Teil auf der Kühlfläche an, und ein Bezugszeichen mit der gleichen Zahl, jedoch ohne ein nachfolgendes „Z”, gibt dessen hinteren Teil auf der Rückseite der Kühlfläche an.
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Auf der Seite der Kühlfläche, wie in 3 gezeigt, dienen die Vorsprünge 202Z als Rippen zum Aufteilen der Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z. Daher können, falls ein Bereich bzw. Feld A in dem Bereich des linken Endes von 3 ebenso die Vorsprünge 202Z besitzt, die jeweils als eine Rippe mit einer konstanten Höhe ausgebildet sind, die Vorsprünge 202Z zu Wänden werden, welche das Problem des Beeinträchtigens der Strömung von Kühlwasser ausgehend von den Kühlwasser-Zuführöffnungen 126ein in Richtung hin zu den Kühlwasser-Abführöffnungen 126aus hervorrufen. Dieses Problem wird durch Ausbilden der Vorsprünge 202Z in diesem Bereich in der nachfolgenden Struktur verhindert.
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4 ist eine vergrößerte schematische, perspektivische Ansicht, welche einige der Brenngas-Strömungspfadnuten 202 zeigt, die sich in der Y-Richtung als ein Teil des Brenngas-Strömungspfads 200 in dem in 3 gezeigten Bereich bzw. Feld A erstrecken. In 4 entspricht die Oberseite der Seite der Kühlfläche und die Unterseite entspricht der Seite der Gaszirkulationsfläche. Auf der Gaszirkulationsfläche sind die Brenngas-Strömungspfadnuten 202, welche derart ausgebildet sind, dass sich diese in der Y-Richtung erstrecken, jeweils mit flachen Nutabschnitten 208 vorgesehen. Die flachen Nutabschnitte 208 sind flacher als die übrigen Abschnitte (nachfolgend ebenso als „tiefe Nutabschnitte 206” bezeichnet). Die Tiefe der Brenngas-Strömungspfadnut 202, wie hierin erwähnt, steht für eine Strecke ausgehend von der Position eines Teils der Gaszirkulationsfläche des anodenseitigen Separators 120, welche die MEGA 110 berührt, bis hin zu dem Boden der Brenngas-Strömungspfadnut 202. Daher ist die Tiefe der Brenngas-Strömungspfadnut 202 bei der Position des tiefen Nutabschnitts 206 tief und bei der Position des flachen Nutabschnitts 208 klein bzw. flach. Die Brenngas-Strömungspfadnut 202 umfasst die flachen Nutabschnitte 208 und die tiefen Nutabschnitte 206, welche in der Y-Richtung angeordnet sind. Sowohl die flachen Nutabschnitte 208 als auch die tiefen Nutabschnitte 206 berühren die MEGA 110 nicht, wodurch ein Brenngas-Strömungspfad ausgebildet ist, welcher dem Brenngas ermöglicht, entlang der Nut 202 zu strömen.
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In der Brennstoffzelle 10 (siehe 1 und 2) mit der Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen 100 berührt die Kühlfläche des anodenseitigen Separators 120 eine Fläche des kathodenseitigen Separators einer benachbarten Einheitszelle 100 auf der Rückseite der tiefen Nutabschnitte 206, steht auf der Rückseite der flachen Nutabschnitte 208 jedoch nicht in Kontakt. Folglich sind zwischen der Rückseite der flachen Nutabschnitte 208 des anodenseitigen Separators 120 und der Oberfläche des kathodenseitigen Separators 130 Kommunikations-Strömungspfadnuten 205Z ausgebildet, so dass die Kommunikations-Strömungspfadnuten 205Z jeweils zwei benachbarte Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z benachbart zu der Rückseite jedes flachen Nutabschnitts 208 verbinden. Diese Struktur ermöglicht es, dass Kühlwasser nicht nur in der Y-Richtung (Richtung der Gravitationskraft) entlang der Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z strömt, sondern ebenso in der X-Richtung (horizontalen Richtung) über die Kommunikations-Strömungspfadnut 205Z. Auf diese Art und Weise kann verhindert werden, dass die Vorsprünge 202Z, die sich in der Y-Richtung erstrecken, die Strömung von Kühlwasser in der X-Richtung blockieren.
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Obwohl in den Abbildungen nicht gezeigt, sind die Brenngas-Strömungspfadnuten 202, welche sich in dem in 3 gezeigten Bereich bzw. Feld A in der X-Richtung erstrecken, vorzugsweise ebenso mit den flachen Nutabschnitten 208 vorgesehen. Dies kann verhindern, dass die sich in der X-Richtung erstreckenden Vorsprünge 202Z die Strömung von Kühlwasser in der Y-Richtung blockieren.
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Obwohl dies in den Abbildungen nicht gezeigt ist, sind nicht nur die sich in den X- und Y-Richtungen erstreckenden Brenngas-Strömungspfadnuten 202, sondern ebenso die sich in den Richtungen schräg zu den X- und Y-Richtungen erstreckenden Brenngas-Strömungspfadnuten 202 vorzugsweise mit den flachen Nutabschnitten 208 ausgebildet. Dies kann verhindern, dass die Vorsprünge 202Z die Strömung von Kühlwasser in der X- oder Y-Richtung blockieren.
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Wie vorstehend beschrieben ist, weist der Kühlwasser-Strömungspfad einen Kreuzungs-Strömungspfadabschnitt auf, welcher aus den sich in den X- und Y-Richtungen erstreckenden Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z und der Kommunikation-Strömungspfadnut 205Z, welche diese Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z kreuzt, ausgebildet ist. Die Kühlwasser-Strömungspfadnuten 204Z sind benachbarte Strömungspfadnuten mit den Vorsprüngen 202Z auf der Rückseite der Reaktionsgas-Strömungspfadnut dazwischen. Die Kommunikations-Strömungspfadnut 205Z entspricht einer Strömungspfadnut, welche bei dem Vorsprung 202Z auf der Rückseite der Reaktionsgas-Strömungspfadnut ausgebildet ist. Folglich kann das ausgehend von den Kühlwasser-Zuführöffnungen 126ein zugeführte Kühlwasser veranlasst werden, in Richtung hin zu den Kühlwasser-Abführöffnungen 126aus zu strömen, ohne durch den sich sowohl in der X- als auch der Y-Richtung erstreckenden Vorsprung 202Z blockiert zu werden.
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5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche einen Kurvenabschnitt (beispielsweise ein in 3 gezeigter Bereich bzw. ein Feld B) aus Sicht der Kühlflächenseite in einer vergrößerten Art und Weise zeigt, wobei sich sowohl die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut 202 als auch diese der Kühlwasser-Strömungspfadnut 204 verändert. Auf der Kühlfläche verändert sich die Strömungspfadrichtung der Kühlwasser-Strömungspfadnut 204Z in einem Bereich 204ZT (nachfolgend ebenso als „Kühlwasser-Kurvenabschnitt 204ZT” bezeichnet), welcher in 5 durch einen Rahmen mit einer gestrichelte Linie angegeben ist. Insbesondere verändert sich die Richtung der Kühlwasser-Strömungspfadnut 204Z gemäß der Gestaltung des Kühlwasser-Kurvenabschnitts 204Z. Auf der Gaszirkulationsfläche verändert sich die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut 202 in einem Bereich 208T (nachfolgend als ein „Brenngas-Kurvenabschnitt 208T” bezeichnet) entsprechend der Rückseite des Kühlwasser-Kurvenabschnitts 204ZT. Insbesondere verändert sich die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut 202 gemäß der Gestaltung des Brenngas-Kurvenabschnitts 208T. Bei dieser Ausführungsform ist der Brenngas-Kurvenabschnitt 208T als ein flacher Nutabschnitt mit einer Kontur mit einer nicht kantigen, glatten bzw. gleichmäßigen Krümmung und einer konstanten Tiefe ausgebildet. Diese Struktur des Brenngas-Kurvenabschnitts 208T erreicht den folgenden Effekt.
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6 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche einen Kurvenabschnitt eines Vergleichsbeispiels in einer vergrößerten Art und Weise aus Sicht der Seite der Kühlfläche zeigt, wobei sich sowohl die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut als auch diese des Kühlwasser-Strömungspfadnut verändert. Gemäß dem Vergleichsbeispiel weist ein Brenngas-Kurvenabschnitt bei der Brenngas-Strömungspfadnut 202, welcher durch eine gestrichelte Linie angegeben ist, eine Gestaltung mit dem tiefen Nutabschnitt 206 und dem flachen Nutabschnitt 208 benachbart bei einer Ecke des Brenngas-Kurvenabschnitts auf. Wie in der Beschreibung des zu lösenden Problems erwähnt, sollte eine geneigte Oberfläche eines Gesenks, welches für eine Pressbearbeitung verwendet werden soll, geeignet ausgebildet sein, um mit der Gestalt eines Kurvenabschnitts übereinzustimmen, bei welchem sich die Richtung eines Strömungspfads verändert. Das Ausbilden einer hochgenauen Gestaltung ist insbesondere für eine Ecke (orthogonaler Teil) schwierig. Zusätzlich weicht die prozentuale Dehnung eines Materials zwischen einem tiefen Nutabschnitt und einem flachen Nutabschnitt bei der Pressformung stark voneinander ab, falls ein Separator durch eine Pressbearbeitung bei einer dünnen Platte hergestellt wird. In diesem Fall ist es nach der Pressformung sehr wahrscheinlich, dass die Dicke des Separators zwischen dem tiefen Nutabschnitt 206 und dem flachen Nutabschnitt 208 stark abweicht. Aus diesen Gründen kann die Dicke zwischen dem tiefen Nutabschnitt 206 und dem flachen Nutabschnitt 208 benachbart zueinander insbesondere bei der Ecke stark voneinander abweichen. Dies macht es unmöglich, eine minimal erforderliche Dicke für eine Formbeständigkeit zu erreichen, so dass bei dem Separator ein Problem, wie ein Brechen bzw. ein Riss und eine Verformung, auf einfache Art und Weise auftreten kann. Daher zeigt das Vergleichsbeispiel Schwierigkeiten beim Gestalten des tiefen Nutabschnitts 206 und des flachen Nutabschnitts 208 mit einem hohen Grad an Genauigkeit bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt (insbesondere bei dessen Ecke) der Brenngas-Strömungspfadnut 202.
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Im Gegensatz dazu entspricht die Brenngas-Strömungspfadnut 202 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T (5) gemäß der vorgenannten Ausführungsform einem flachen Nutabschnitt mit einer Kontur mit einer nicht kantigen, gleichmäßigen bzw. glatten Krümmung und einer konstanten Tiefe, wie vorstehend beschrieben ist. Dies ermöglicht es, die prozentuale Dehnung eines Materials bei dem Kurvenabschnitt bei der Pressbearbeitung konstant zu halten. Folglich kann ein Problem, wie ein Brechen oder eine Verformung, wie bei dem Vergleichsbeispiel genannt, verringert werden. Falls der Brenngas-Kurvenabschnitt 208T einem flachen Nutabschnitt mit einer konstanten Tiefe entspricht, ist die Effizienz der Verteilung von Kühlwasser im Vergleich zu der Struktur des Vergleichsbeispiels verbessert. Dabei ist im Vergleich zu der Struktur des Vergleichsbeispiels der Kontaktbereich mit dem kathodenseitigen Separator 130 benachbart zu dem anodenseitigen Separator 120 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T reduziert. Eine Reduktion des Kontaktbereichs bewirkt eine Zunahme des Kontaktwiderstands, was zu einer Reduktion des maximalen Ausgangs einer Brennstoffzelle führt. Daher, um eine Zunahme des Kontaktwiderstands zu minimieren, um die Reduktion des maximalen Ausgangs der Brennstoffzelle zu minimieren, ist es vorzuziehen, dass der Bereich des Reaktionsgas-Kurvenabschnitts 208T in einer solchen Art und Weise ermittelt ist, um Anforderungen mit Bezug auf den maximalen Ausgang und den Kontaktwiderstand der Brennstoffzelle zu erfüllen.
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Der Kurvenabschnitt in dem Bereich bzw. Feld B von 3 ist in der vorangehenden Beschreibung als ein Beispiel angegeben. Eine vergleichbare Struktur ist auf einen Kurvenabschnitt in einem unterschiedlichen Bereich anwendbar, bei welchem sich sowohl die Richtung der Brenngas-Strömungspfadnut als auch diese der Kühlwasser-Strömungspfadnut verändert.
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B. Modifikationen
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Bei der vorgenannten Ausführungsform entspricht die Brenngas-Strömungspfadnut 202 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T (5) einem flachen Nutabschnitt mit einer Kontur mit einer nicht kantigen, glatten bzw. gleichmäßigen Krümmung und einer konstanten Tiefe. Alternativ kann die Brenngas-Strömungspfadnut 202 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T ein tiefer Nutabschnitt mit einer Kontur mit einer nicht kantigen, glatten bzw. gleichmäßigen Krümmung und einer konstanten Tiefe sein. Auch in diesem Fall kann die prozentuale Dehnung eines Materials bei dem Kurvenabschnitt bei der Pressbearbeitung nach wie vor konstant gehalten werden. Daher kann ein Problem, wie ein Brechen bzw. ein Riss oder eine Verformung, wie bei dem Vergleichsbeispiel angegeben, ebenso verringert werden. Falls der Brenngas-Kurvenabschnitt 208T als ein tiefer Nutabschnitt ausgebildet ist, ist der Kontaktbereich mit dem kathodenseitigen Separator 130 benachbart zu dem anodenseitigen Separator 120 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T erhöht, während die Effizienz der Verteilung von Kühlwasser im Vergleich zu der Struktur des Vergleichsbeispiels reduziert ist. Ob der Brenngas-Kurvenabschnitt 208T als ein flacher Nutabschnitt oder als ein tiefer Nutabschnitt auszubilden ist, kann in einer Art und Weise ausgewählt werden, die von dem Spielraum eines gesamten Systems, um eine Brennstoffzelle zu kühlen, abhängt.
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Bei der vorgenannten Ausführungsform und den Modifikationen entspricht die Brenngas-Strömungspfadnut 202 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T einem Nutabschnitt mit einer Kontur mit einer nicht kantigen, glatten bzw. gleichmäßigen Krümmung und einer konstanten Tiefe. Alternativ kann die Brenngas-Strömungspfadnut 202 bei dem Brenngas-Kurvenabschnitt 208T ein Nutabschnitt mit einer Kontur mit einem Winkel und einer konstanten Tiefe sein. Dabei kann eine Kontur mit einer nicht kantigen, glatten bzw. gleichmäßigen Krümmung durch eine Pressbearbeitung einfacher ausgebildet werden, diese kann ein Problem, wie ein Brechen bzw. einen Riss oder eine Verformung, verringern und kann mit einem höheren Grad an Genauigkeit ausgebildet werden.
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsform umfasst den Brenngas-Strömungspfad des anodenseitigen Separators 120. Eine Strömungspfadstruktur, welche mit der Struktur des Brenngas-Strömungspfads vergleichbar ist, ist auf einen Oxidationsgas-Strömungspfad eines kathodenseitigen Separators anwendbar.
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Diese Erfindung ist nicht auf die vorgenannte Ausführungsform, die Beispiele oder die Modifikationen beschränkt, sondern kann innerhalb eines Bereichs, welcher von dem wesentlichen Inhalt dieser Erfindung nicht abweicht, mit verschiedenen Strukturen implementiert sein. Als ein Beispiel können technische Merkmale bei der Ausführungsform, diese bei den Beispielen oder diese bei den Modifikationen entsprechend diesen bei jedem der Aspekte, welche bei der Kurzfassung der Erfindung beschrieben sind, ersetzt oder kombiniert werden, wenn dies geeignet ist, um einige oder sämtliche der vorgenannten Probleme zu lösen oder einige oder die Gesamtheit der vorgenannten Effekte zu erreichen. Komponenten der vorgenannten Ausführungsform und jeder der Modifikationen mit Ausnahme dieser, welche bei unabhängigen Ansprüchen beschrieben sind, sind zusätzliche Elemente und auf diese kann geeignet verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzelle
- 100
- Einheitszelle
- 120
- Anodenseitiger Separator
- 121
- Strömungspfad-Ausbildungsbereich
- 122ein
- Brenngas-Zuführöffnung
- 122aus
- Brenngas-Abführöffnung
- 124ein
- Oxidationsgas-Zuführöffnung
- 124aus
- Oxidationsgas-Abführöffnung
- 126ein
- Kühlwasser-Zuführöffnung
- 126aus
- Kühlwasser-Abführöffnung
- 130
- Kathodenseitiger Separator
- 132ein
- Brenngas-Zuführöffnung
- 132aus
- Brenngas-Abführöffnung
- 134ein
- Oxidationsgas-Zuführöffnung
- 134aus
- Oxidationsgas-Abführöffnung
- 136ein
- Kühlwasser-Zuführöffnung
- 136aus
- Kühlwasser-Abführöffnung
- 140
- Dichtelement
- 142ein
- Brenngas-Zuführöffnung
- 142aus
- Brenngas-Abführöffnung
- 144ein
- Oxidationsgas-Zuführöffnung
- 144aus
- Oxidationsgas-Abführöffnung
- 146ein
- Kühlwasser-Zuführöffnung
- 146aus
- Kühlwasser-Abführöffnung
- 150
- Gas-Strömungspfadelement
- 160E
- Anschlussplatte
- 160F
- Anschlussplatte
- 165E
- Isolationsplatte
- 165F
- Isolationsplatte
- 170E
- Endplatte
- 170F
- Endplatte
- 172ein
- Brenngas-Zuführöffnung
- 172aus
- Brenngas-Abführöffnung
- 174ein
- Oxidationsgas-Zuführöffnung
- 174aus
- Oxidationsgas-Abführöffnung
- 176ein
- Kühlwasser-Zuführöffnung
- 176aus
- Kühlwasser-Abführöffnung
- 200
- Brenngas-Strömungspfad
- 202
- Brenngas-Strömungspfadnut
- 202Z
- Vorsprung
- 204Z
- Kühlwasser-Strömungspfadnut
- 204ZT
- Kühlwasser-Kurvenabschnitt
- 205Z
- Kommunikations-Strömungspfadnut
- 206
- Tiefer Nutabschnitt
- 208
- Flacher Nutabschnitt
- 208T
- Brenngas-Kurvenabschnitt
