DE112016004572T5

DE112016004572T5 - Brennstoffbatteriestapel

Info

Publication number: DE112016004572T5
Application number: DE112016004572.7T
Authority: DE
Inventors: Motohiro Takahashi; Jun Kondo; Mitsuru Ikeo; Hiromitsu Sato
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-06-28
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: CN108140865B; US11217814B2; DE112016004572B4; WO2017061404A1; CN108140865A; US20180309152A1

Abstract

Ein Brennstoffbatteriestapel (10) ist versehen mit Lochabschnitten (84a, 94a), die in einem Kunststofffluidverteiler (72a) ausgebildet sind; zylindrischen Kragenelementen (106a), die in den Lochabschnitten (84a, 94a) vorgesehen sind; und Befestigungsbolzen (108a), die in die zylindrischen Kragenelemente (106a) eingesetzt und in die eine zweite Endplatte (18b) geschraubt sind. An der Innenumfangsfläche jedes Lochabschnitts (94a) stehen mehrere Vorsprünge (100a), welche die Außenumfangsfläche (106as) des zylindrischen Kragenelements (106a) stützen, in radialer Richtung einwärts vor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (Brennstoffbatteriestapel), der eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen und Endplatten, die in Stapelrichtung an beiden Enden des Stapels vorgesehen sind, enthält. Jede der Stromerzeugungszellen ist durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung und eines Separators gebildet. Die Membranelektrodenanordnung enthält eine Elektrolytmembran und an beiden Oberflächen der Elektrolytmembran vorgesehene Elektroden.
Technischer Hintergrund
Zum Beispiel enthält eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Die Membranelektrodenanordnung enthält eine Elektrolytmembran, eine Anode, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathode, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehen ist. Die Elektrolytmembran ist eine Polymerionentauschermembran. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen den Separatoren geschichtet, um eine Stromerzeugungszelle (Zelleneinheit) zu bilden. Allgemein ist eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen zusammengestapelt, um zum Beispiel einen Im-Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in einem Brennstoffzellenfahrzeug (Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, etc.) angebracht ist.
In dem Brennstoffzellenstapel ist ein Brenngasfließfeld in einer Oberfläche eines anodenseitigen Separators ausgebildet, um der Anode ein Brenngas zuzuführen, und ist ein sauerstoffhaltiges Fließfeld in einer Oberfläche des kathodenseitigen Separators ausgebildet, um der Kathode sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen. Ferner ist ein Kühlmittelfließfeld als Kühlmittelkanal zwischen Separatoren von Stromerzeugungszellen vorgesehen, die einander benachbart sind, um Kühlmittel entlang den Oberflächen der Separatoren zu führen.
Ferner sind Brennstoffzellenstapel verwendet worden, die eine interne Verteilerstruktur aufweisen. In einem solchen Brennstoffzellenstapel erstrecken sich Brenngaskanäle, Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanäle und Kühlmittelkanäle durch den Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung, um zu erlauben, dass das Brenngas, das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel hindurchfließen. Die Brenngaskanäle (Fluidkanäle) enthalten einen Brenngaszuführkanal und einen Brenngasabführkanal. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanäle (Fluidkanäle) enthalten einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal und einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal. Die Kühlmittelkanäle (Fluidkanäle) enthalten einen Kühlmittelzuführkanal und einen Kühlmittelabführkanal.
In dem obigen Brennstoffzellenstapel sind in zumindest einer der Endplatten Fluidverteiler/-sammler vorgesehen, die mit den Fluidkanälen verbunden sind. Jeder der Fluidverteiler/-sammler führt das Brenngas, das sauerstoffhaltige Gas oder das Kühlmittel zu oder führt es ab. Zum Beispiel ist in einem Brennstoffzellenstapel, der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-224195 offenbart ist, ein Kunststoffverteiler/-sammler in einer der Endplatten vorgesehen, und eine Verstärkungseinheit, die von der einen der Endplatten gehalten wird, ist an einem Ende des Kunststoffverteilers/-sammlers vorgesehen.
Ferner hat in dem Brennstoffzellenstapel, der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2015-060716 offenbart ist, der Fluidverteiler/- sammler einen Gummikörper. Ein Gummiflansch ist einstückig mit einem Abschnitt des Gummikörpers vorgesehen, der mit der Endplatte verbunden ist, und der Gummiflansch wird mittels eines an der Endplatte befestigten Metallstopperelements auf die Endplatte gedrückt und dort gehalten.
Abriss der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in Bezug auf diese Art von Technik gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel anzugeben, mit dem es möglich ist, eine Beschädigung eines Kunststofffluidverteilers oder -sammlers soweit wie möglich zu vermeiden und den Kunststofffluidverteiler oder -sammler geeignet und wirtschaftlich zu nutzen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel anzugeben, in dem es möglich ist, eine Beschädigung eines Kunststofffluidverteilers oder -sammlers aufgrund einer Verformung einer Endplatte soweit wie möglich zu vermeiden und den Kunststofffluidverteiler oder -sammler geeignet und wirtschaftlich zu nutzen.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen. Jede der Stromerzeugungszellen weist eine Membranelektrodenanordnung und einen Separator auf, die zusammengestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnung enthält eine Elektrolytmembran und auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran vorgesehene Elektroden. Die Stromerzeugungszellen sind in einer Stapelrichtung zusammengestapelt, wobei Endplatten an in der Stapelrichtung beiden Enden vorgesehen sind, und wobei eine der Endplatten einen Kunststofffluidverteiler oder -sammler aufweist, der konfiguriert ist, um zu erlauben, dass ein Kühlmittel, ein Brenngas oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Fluid durch den Kunststofffluidverteiler oder - sammler fließt.
Der Brennstoffzellenstapel enthält ein Loch, das in dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler ausgebildet ist; ein zylindrisches Kragenelement, das in dem Loch vorgesehen ist; und einen Dichtziehbolzen, der in das zylindrischen Kragenelement eingesetzt ist und in eine der Endplatten geschraubt ist. Eine Mehrzahl von Vorsprüngen sind an einer Innenumfangsfläche des Lochs ausgebildet. Die Vorsprünge stehen in radialer Richtung einwärts vor und sind konfiguriert, um eine Außenumfangsfläche des zylindrischen Kragenelements zu stützen.
Ferner kann bevorzugt die Anzahl der Vorsprünge drei oder mehr betragen, und die Vorsprünge können auf der Innenumfangsfläche des Lochs mit gleichen Winkelintervallen ausgebildet sein.
In dem Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der Brennstoffzellenstapel ein Loch, das in dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler ausgebildet ist; ein Kragenelement, das in dem Loch vorgesehen ist; und einen Dichtziehbolzen, der in das Kragenelement eingesetzt und in die eine der Endplatten geschraubt ist. In einem Zustand, wo der Kunststofffluidverteiler oder -sammler mit der einen der Endplatten dicht gekoppelt ist, wird eine Lücke zwischen einer Verteiler-/Sammlerseitigen Oberfläche und einer Endplatten-seitigen Oberfläche gebildet.
Die Verteiler-/Sammler-seitige Oberfläche ist eine Oberfläche des Kunststofffluidverteilers oder -sammlers, die zu der einer der Endplatten weist, und die Endplatten-seitige Oberfläche ist eine Oberfläche der einen der Endplatten, die zu dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler weist.
Ferner kann in dem Brennstoffzellenstapel bevorzugt der Kunststofffluidverteiler oder -sammler ein Verteiler- oder Sammlerbasiselement und ein Verteiler- oder Sammlerdeckelelement aufweisen. Das Verteiler- oder Sammlerbasiselement ist einer der Endplatten benachbart, und das Verteiler- oder Sammlerdeckelelement überlappt fest mit dem Verteiler- oder Sammlerbasiselement. Ein Fluidkanal ist zwischen dem Verteiler- oder Sammlerbasiselement und dem Verteiler- oder Sammlerdeckelelement ausgebildet.
In dieser Hinsicht kann bevorzugt eine Lücke zwischen einer Basis-Seitenfläche des Verteiler- oder Sammlerbasiselements, die zu dem Verteiler- oder Sammlerdeckelelement weist, und einer Deckel-Seitenfläche des Verteiler- oder Sammlerdeckelelements, die zu dem Verteiler- oder Sammlerbasiselement weist, ausgebildet sein.
Ferner kann in dem Brennstoffzellenstapel bevorzugt zumindest eine der Lücken eine Größe im Bereich von 0,1 bis 0,4mm aufweisen.
In der vorliegenden Erfindung ist die Außenumfangsfläche des zylindrischen Kragenelements durch die Mehrzahl von Vorsprüngen, die an der Innenumfangsfläche des Lochs ausgebildet sind, durch einen Punkt-zu-Punk-Kontakt oder Linie-zu-Linie-Kontakt gestützt. Obwohl in der Struktur der Kunststofffluidverteiler oder -sammler und zum Beispiel das zylindrische Metallkragenelement aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wirkt auf den Fluidverteiler - oder -sammler und das zylindrische Kragenelement aufgrund der durch Temperaturänderung hervorgerufenen unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnung keine übermäßige Belastung.
Daher wird es insbesondere möglich, in dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler die Bildung von Brüchen zu vermeiden. Demzufolge wird es möglich, eine Beschädigung des Kunststofffluidsammlers oder -verteilers so weit wie möglich zu vermeiden, und daher wird es möglich, den Kunststofffluidverteiler oder -sammler geeignet und wirtschaftlich zu nutzen.
Ferner ist in der vorliegenden Erfindung in dem Zustand, in dem der Kunststofffluidverteiler oder -sammler mit einer der Endplatten dicht gekoppelt ist, die Lücke zwischen der Verteiler-seitigen Oberfläche und der Endplatten-seitigen Oberfläche gebildet. Wenn daher in einer der Endplatten eine Verformung auftritt, fungiert die Lücke als Spielraum zum Unterdrücken einer Wechselwirkung mit einer der Endplatten und dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler.
Daher wird es möglich, die Bildung von Brüchen, etc., zu vermeiden, wenn auf den Kunststofffluidverteiler oder -sammler eine Biegebelastung einwirkt. Dementsprechend wird es möglich, eine Beschädigung des Kunststofffluidverteilers oder -sammlers aufgrund einer Verformung einer der Endplatten so weit wie möglich zu vermeiden, und daher wird es möglich, den Kunststofffluidverteiler oder -sammler geeignet und wirtschaftlich zu nutzen.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht bei Betrachtung von einer zweiten Endplatte eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine partielle Explosionsperspektivansicht bei Betrachtung von einer ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels;
3 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Stromerzeugungszelle des Brennstoffzellenstapels;
4 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Kühlmittelzuführverteilers des Brennstoffzellenstapels;
5 ist eine Vorderansicht eines Verteilerdeckelelements des Kühlmittelzuführverteilers;
6 ist eine Querschnittsansicht des Kühlmittelzuführverteilers und der zweiten Endplatte entlang Linie VI-VI in 4;
7 ist eine Querschnittsansicht des Kühlmittelzuführverteilers und der zweiten Endplatte entlang Linie VII-VII in 4;
8 ist eine Perspektivansicht bei Betrachtung von einer zweiten Platte eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Kühlmittelzuführverteilers des Brennstoffzellenstapels in 8;
10 ist eine Querschnittsansicht eines Kühlmittelzuführverteilers und einer zweiten Endplatte entlang Linie X-X in 9;
11 ist eine Ansicht, wenn der Kühlmittelzuführverteiler und die zweite Endplatte in 9 verformt sind; und
12 ist eine Querschnittsansicht eines Kühlmittelzuführverteilers und einer zweiten Endplatte eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungen
(Erste Ausführung)
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist ein Brennstoffzellenstapel 10 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Beispiel in einem elektrischen Brennstoffzellenfahrzeug (nicht gezeigt) angebracht. Der Brennstoffzellenstapel10 enthält einen Stapelkörper 12as, der durch Stapeln einer Vielzahl von Stromerzeugungszellen 12 in horizontaler Richtung (mit Pfeil B angegeben) ausgebildet ist, so dass die Elektrodenoberflächen der Stromerzeugungszellen 12 aufrecht stehen (siehe 2). Es sollte angemerkt werden, dass der Brennstoffzellenstapel 10 auch durch Stapeln der Vielzahl von Stromerzeugungszellen 12 in der Schwerkraftrichtung (mit Pfeil C angegeben) ausgebildet werden kann.
Wie in 2 gezeigt, ist an einem Ende der Stromerzeugungszellen 12 in der Stapelrichtung (einem Ende des Stapelkörpers 12as) eine erste Anschlussplatte 14a vorgesehen. Eine erste Isolierplatte 16a ist außerhalb der ersten Anschlussplatte 14a vorgesehen, und eine erste Endplatte 18a ist außerhalb der ersten Isolierplatte 16a vorgesehen. Am anderen Ende der Stromerzeugungszellen 12 in der Stapelrichtung (dem anderen Ende des Stapelkörpers 12as) ist eine zweite Anschlussplatte 14b vorgesehen. Eine zweite Isolierplatte 16b ist außerhalb der zweiten Anschlussplatte 14b vorgesehen, und eine zweite Endplatte 18b ist außerhalb der zweiten Isolierplatte 16b vorgesehen.
Ein erster Stromausgangsanschluss 20a erstreckt sich von einer angenähert mittigen Position (oder einer von der Mittelposition verschobenen Position einer seitlich langgestreckten (rechteckigen) ersten Endplatte 18a nach außen. Der erste Stromausgangsanschluss 20a ist mit der ersten Anschlussplatte 14 verbunden. Ein zweiter Stromausgangsanschluss 20b erstreckt sich von einer angenähert mittigen Position (oder einer von der Mittelposition verschobenen Position) einer seitlich langgestreckten (rechteckigen) zweiten Endplatte 18b nach außen. Der zweite Stromausgangsanschluss 20b ist mit der zweiten Anschlussplatte 14b verbunden.
Beide Enden von Koppelstangen 22 sind mit den jeweiligen Seiten der ersten Endplatte 18a und der zweiten Endplatte 18b mittels Schrauben 24 befestigt. Durch die Koppelstangen 22 wird auf die gestapelten Stromerzeugungszellen 12 eine Dichtziehlast ausgeübt (in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung).
Der Brennstoffzellenstapel 10 enthält bei Bedarf ein Gehäuse 26. Zwei Seiten (Oberflächen) des Gehäuses 26 an beiden Enden der mit dem Pfeil B angegebenen Dichtung sind die erste Endplatte 18a und die zweite Endplatte 118b. Zwei Seiten (Oberflächen) des Gehäuses 26 an beiden Enden an der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung sind eine erste Seitenplatte 28a und eine zweite Seitenplatte 28b in der Form von seitlich langgestreckten Platten. Zwei Seiten (Oberflächen) des Gehäuses 26 an beiden Enden in der Höhenrichtung (mit dem Pfeil C angegeben) sind eine obere Seitenplatte 30a und eine untere Seitenplatte 30b. Jede der oberen Seitenplatte 30a und der unteren Seitenplatte 30b hat die Form einer seitlich langgestreckten Platte.
Wie in 2 gezeigt, sind Gewindelöcher 32 in jeder Seite der ersten Endplatte 18a und der zweiten Endplatte 18b ausgebildet. Löcher 34 sind in jeder der ersten Seitenplatte 28a, der zweiten Seitenplatte 28b, der oberen Seitenplatte 30 und der unteren Seitenplatte 30b an zu den Gewindelöchern 32 weisenden Positionen ausgebildet. In die Löcher 34 eingesetzte Schrauben 36 sind in die Gewindelöcher 32 geschraubt. Somit werden die Komponenten des Gehäuses 26 aneinander befestigt.
Wie in 3 gezeigt, enthält die Stromerzeugungszelle 12 eine Membranelektrodenanordnung 40 sowie einen Kathodenseparator 42 und einen Anodenseparator 44, die die Membranelektrodenanordnung 40 zwischen sich aufnehmen.
Zum Beispiel sind der Kathodenseparator 42 und der Anodenseparator 44 Metallplattem wie etwa Stahlplatten, rostfreie Stahlplatten, Aluminiumplatten, galvanisierte Stahlbleche oder Metallplatten mit durch Oberflächenbehandlung antikorrosiven Oberflächen. Jeder des Kathodenseparators 42 und des Anodenseparators 44 hat eine rechteckige ebene Oberfläche. Jeder des Kathodenseparators 42 und des Anodenseparators 44 hat eine rechteckige Form, und ist aus dünnen Metallwellblechen durch Pressformung gebildet, so dass sie im Querschnitt eine gewellte Form und auf der Oberfläche eine wellige Form haben. Es sollte angemerkt werden, dass anstelle der Metallseparatoren zum Beispiel auch Kohlenstoffseparatoren als der Kathodenseparator 42 und der Anodenseparator 44 verwendet werden können.
An einem Ende der Stromerzeugungszellen 12 in der Längsrichtung (mit Pfeil A angegeben) sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a und ein Brenngasabführkanal 48b vorgesehen. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a und der Brenngasabführkanal 48b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Sauerstoffhaltiges Gas (Fluid) wird durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a zugeführt, und Brenngas (Fluid), wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, wird durch den Brenngasabführkanal 48b abgegeben.
Am anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der Längsrichtung sind ein Brenngaszuführkanal 48a zum Zuführen des Brenngases und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen. Der Brenngaszuführkanal 48a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung.
An einem der beiden Enden der Stromerzeugungszelle 12 in der Längsrichtung (mit dem Pfeil A angegeben) (ein Ende in der horizontalen Richtung) an der Seite, die dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a und dem Brenngasabführkanal 48b benachbart ist, sind an oberen und unteren Positionen Kühlmittelzuführkanäle 50a vorgesehen. Die Kühlmittelzuführkanäle 50a sind miteinander verbunden, um ein Kühlmittel (Fluid) in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung zuzuführen. In jeder entgegengesetzten Seite ist ein Kühlmittelzuführkanal 50a vorgesehen. Alternativ können in jeweiligen entgegengesetzten Seiten zwei Kühlmittelzuführkanäle 50a vorgesehen sein.
Am anderen der beiden Enden der Stromerzeugungszelle 12 in der Längsrichtung (anderen Ende in der horizontalen Richtung) an der Seite, die dem Brenngaszuführkanal 48a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b benachbart ist, sind an oberen und unteren Positionen Kühlmittelabführkanäle 50b vorgesehen. Die Kühlmittelabführkanäle 50b sind miteinander verbunden, um das Kühlmittel abzuführen. An jeder entgegengesetzten Seite ist ein Kühlmittelabführkanal 50b vorgesehen. Alternativ können in jeder der entgegengesetzten Seiten zwei Kühlmittelabführkanäle 50b vorgesehen sein.
Die Membranelektrodenanordnung 40 enthält eine Kathode 54, eine Anode 56 sowie eine Festpolymerelektrolytmembran 52, die zwischen der Kathode 54 und der Anode 56 eingefügt ist. Zum Beispiel wird die Festpolymerelektrolytmembran 52 gebildet, indem eine dünne Perfluorsulfonsäure-Membran zum Beispiel mit Wasser imprägniert wird.
Jede der Kathode 54 und der Anode 56 enthält eine Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt). Die Gasdiffusionsschicht umfasst Kohlepapier, etc. Eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht gezeigt) ist durch Platinlegierung gebildet, die auf poröse Kohlenstoffpartikel geladen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht abgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschichten sind an beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembran 52 befestigt.
Der Kathodenseparator 42 hat auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 40 weisenden Oberfläche 42a ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b verbunden. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 umfasst eine Mehrzahl von welligen Fließnuten (oder geraden Fließnuten), die sich in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung erstrecken.
Der Anodenseparator 44 hat auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 40 weisenden Oberfläche 44a ein Brenngasfließfeld 60. Das Brenngasfließfeld 60 ist mit dem Brenngaszuführkanal 48a und dem Brenngasabführkanal 48b verbunden. Das Brenngasfließfeld 60 umfasst eine Mehrzahl von welligen Fließnuten (oder gerade Fließnuten), die sich in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung erstrecken.
Ein Kühlmittelfließfeld 62 ist zwischen einer Oberfläche 44b des Anodenseparators 44 und einer Oberfläche 42b des Kathodenseparators 42 ausgebildet. Das Kühlmittelfließfeld 62 ist mit den Kühlmittelzuführkanälen 50a, 50a und den Kühlmittelabführkanälen 50b, 50b verbunden. Das Kühlmittelfließfeld 62 erstreckt sich in der horizontalen Richtung, um zu erlauben, dass das Kühlmittel über die Elektrodenfläche der Membranelektrodenanordnung 40 hinweg fließt.
Ein erstes Dichtungselement 64 ist integriert mit den Oberflächen 42a, 42b des Kathodenseparators 42 um den äußeren Endrand des Kathodenseparators 42 herum ausgebildet. Ein zweites Dichtungselement 66 ist integriert mit den Oberflächen 44a, 44b des Anodenseparators 44 um den äußeren Endrand des Anodenseparators 44 herum ausgebildet.
Das erste Dichtungselement 64 und das zweite Dichtungselement 66 ist jeweils ein elastisches Dichtungselement, das zum Beispiel aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial oder Packungsmaterial hergestellt ist, wie etwa EPDM, NBR, Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi, Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi oder Acrylgummi.
Wie in 2 gezeigt, sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführverteiler 68a, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 68b, ein Brenngas-Zuführverteiler 70a und ein Brenngas-Abführsammler 70b an der ersten Endplatte 18 angebracht. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführverteiler 68a, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 68b, der Brenngas-Zuführverteiler 70a und der Brenngas-Abführsammler 70b sind aus elektrisch isolierendem Kunststoff hergestellt.
Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführverteiler 68a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 68b sind jeweils mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b verbunden. Der Brenngas-Zuführverteiler 70a und der Brenngas-Abführsammler 70b sind jeweils mit dem Brenngaszuführkanal 48a und dem Brenngasabführkanal 48b verbunden.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Kühlmittel-Zuführverteiler (Kunststoffzuführverteiler) 72a in der zweiten Endplatte (der einen der Endplatten) 18b angebracht. Der Kühlmittel-Zuführverteiler 72a ist mit den Kühlmittelzuführkanälen 50a verbunden, von dem als einer an jeder von oberen und unteren Positionen vorgesehen ist. Die zweite Endplatte 18b ist an dem Kunststoffkühlmittel-Abführsammler (Kunststofffluidsammler) 72b angebracht. Der Kühlmittel-Abführsammler 72b ist mit den Kühlmittelabführkanälen 50b verbunden, von denen einer an jeder von oberen und unteren Positionen vorgesehen ist. Bevorzugt können der Kühlmittel-Zuführverteiler 72a und der Kühlmittel-Abführsammler 72b elektrisch isolierende Eigenschaften haben.
Wie in den 1 und 4 gezeigt, enthält der Kühlmittel-Zuführverteiler 72a ein Verteilerbasiselement 74a, das die zweite Endplatte 18b kontaktiert. Das Verteilerbasiselement 74a ist an einem Verteilerdeckelelement 76a befestigt, und das Verteilerdeckelelement 76a ist an der zweiten Endplatte 18b angebracht. Vier Gewindelöcher 77a sind in der zweiten Endplatte 18b benachbart jeder der Kühlmittelzuführkanäle 50a ausgebildet, und vier Gewindelöcher 77b sind in der zweiten Endplatte 18b jeweils benachbart den Kühlmittelabführkanälen 50b ausgebildet (siehe 1).
Das Verteilerbasiselement 74a hat eine im Wesentlichen flache Plattenform, und Kühlmitteleinlässe 78a sind an den oberen und unteren Positionen des Verteilerbasiselements 74a vorgesehen. Die Kühlmitteleinlässe 78a sind jeweils direkt mit den Kühlmittelzuführkanälen 50a verbunden. Eine Umfangsnut 80a ist um die oberen und unteren Kühlmitteleinlässe 78a an einer Oberfläche des Verteilerbasiselements 74a ausgebildet, die zu dem Verteilerdeckelelement 76a weist. Ein Dichtungselement 72a ist in der Umfangsnut 80a vorgesehen, und bei Bedarf kann auch eine Umfangsnut (nicht gezeigt) an einer gegenüberliegenden Oberfläche des Verteilerbasiselements 74a ausgebildet sein, oder einer Oberfläche der zweiten Endplatte 18b, und das Dichtungselement 82a kann in der Umfangsnut vorgesehen sein.
Das Dichtungselement 82a hat eine relativ große Abmessung in der Dickenrichtung (Stapelrichtung), in der das Verteilerbasiselement 74a und das Verteilerdeckelelement 76a zusammengestapelt sind. Dies hat zum Ziel, eine elastische Verformung und die Leckage von Kühlmittel zuverlässig zu vermeiden, wenn zwischen dem Verteilerbasiselement 74a und der zweiten Endplatte 18b sowie zwischen dem Verteilerbasiselement 74a und dem Verteilerdeckelelement 76a Lücken gebildet werden.
Zwei Löcher 84a sind an oberen und unteren Positionen an jeder von beiden oberen Ecken des Verteilerbasiselements 74a ausgebildet. Zwei Löcher sind an oberen und unteren Positionen an jeder von beiden unteren Ecken des Verteilerbasiselements 74a ausgebildet. Der Durchmesser der Öffnung von jedem der Löcher 84a ist größer als der Außendurchmesser eines zylindrischen Kragenelements 106a, das später beschrieben ist und koaxial zu jedem der Gewindelöcher 77a der zweiten Endplatte 18b vorgesehen ist. Zwei obere und untere Frontalinnengewindeelemente 86a sind im Wesentlichen an den mittigen Positionen des Verteilerbasiselements 74a in der Höhenrichtung (mit dem Pfeil C angegeben) eingebettet, an jeder von beiden Seiten in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, hat das Verteilerdeckelelement 76a einen Körper 88a in der Form eines Gehäuses. Ein Kühlmittelkanal 87a, der mit den oberen und unteren Kühlmitteleinlässen 78a des Verteilerbasiselements 74a verbunden ist, ist in dem Körper 88a ausgebildet. Ein Einlassrohrabschnitt 90a als Kühlmittelzuführöffnung ist an angenähert der mittigen Position des Körpers 88a in der Höhenrichtung vorgesehen. Der Einlassrohrabschnitt 90a ist in der horizontalen Richtung orientiert (oder schräg von der horizontalen Richtung). Ein Flansch 92a ist an dem Außenrandabschnitt 88a vorgesehen.
Zwei Löcher 94a sind an oberen und unteren Positionen an jeder beider oberer Ecken des Flanschs 92a ausgebildet. Zwei Löcher 94a sind an oberen und unteren Positionen an jeder beider unteren Ecken des Flanschs 92a ausgebildet. Zwei obere und zwei untere Löcher 96a sind im Wesentlichen an den mittigen Positionen des Flanschs 92a in der Höhenrichtung (mit dem Pfeil C angegeben) an beiden Seiten in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung ausgebildet. Die Löcher 94a des Flanschs 92a sind koaxial zu den Löchern 84a des Verteilerbasiselements 74a ausgebildet, und die Löcher 96a des Flanschs 92a sind koaxial zu den Metallinnengewindeelement 86a des Verteilerbasiselements 74a ausgebildet.
Wie in 5 gezeigt, ist eine Mehrzahl von zum Beispiel vier Vorsprüngen 100a an einer Innenumfangsfläche 98a des Lochs 94a vorgesehen. Die Vorsprünge 100a sind mit gleichen Winkelintervallen voneinander beabstandet und stehen in der radialen Richtung einwärts vor. Es genügt, dass die Vorsprünge 100a eine später beschriebene Außenumfangsfläche 106as des zylindrischen Kragenelements 106a stützen können. Bevorzugt können drei oder mehr Vorsprünge 100a vorgesehen sein. Ferner genügt es, dass die Vorsprünge 100a eine vorbestimmte Länge in der axialen Richtung der Innenumfangsfläche 98a haben. Die Vorsprünge 100a brauchen nicht über die Gesamtlänge in der axialen Richtung vorgesehen werden.
Eine Mehrzahl von zum Beispiel vier Vorsprüngen 104a sind an Innenumfangsflächen 102a des Lochs 96a vorgesehen. Die Vorsprünge 104a sind mit gleichen Winkelintervallen voneinander beabstandet und stehen in der radialen Richtung einwärts vor. Es genügt, dass die Vorsprünge 104a eine später beschriebene Außenumfangsfläche 110as eines zylindrischen Kragenelements 110a stützen können. Bevorzugt können drei oder mehr Vorsprünge 104a vorgesehen sein. Ferner genügt es, dass die Vorsprünge 104a eine vorbestimmte Länge in der axialen Richtung der Innenumfangsfläche 102a haben. Die Vorsprünge 104a brauchen nicht über die Gesamtlänge in der axialen Richtung vorgesehen werden.
Wie in 4 gezeigt, ist das zylindrische Metallkragenelement 106a in jedem der Löcher 94a vorgesehen. Wie in 6 gezeigt, ist die Länge des zylindrischen Kragenelements 106a so bestimmt, dass das vordere Ende des zylindrischen Kragenelements 106a eine Plattenoberfläche der zweiten Endplatte 18b kontaktiert, wenn das zylindrische Kragenelement 106a von dem Loch 94a in das Loch 84a eingesetzt wird.
Die Außenumfangsfläche 106as des zylindrischen Kragenelements 106a wird von den vier Vorsprüngen 100a gestützt, und ein Flansch 108af kontaktiert den Flansch 92a. Ein Dichtziehbolzen (Sechseckbolzen) 108a wird in das zylindrische Kragenelement 106a eingesetzt, und der Dichtziehbolzen108a wird in das Gewindeloch 77a geschraubt. Somit wird der Kühlmittel-Zuführverteiler 72a an der zweiten Endplatte 118b befestigt.
Wie in 4 gezeigt, ist das zylindrische Metallkragenelement 110a zum Beispiel in jedem der Löcher 96a vorgesehen. Wie in 7 gezeigt, ist die Länge des zylindrischen Kragenelements 110a derart bestimmt, dass das vordere Ende des zylindrischen Kragenelements 110a eine Endfläche des Innengewindeelements 86a des Verteilerbasiselements 74a kontaktiert, wenn das zylindrische Kragenelement 110a in das Loch 96a eingesetzt wird.
Die Außenumfangsfläche 110as des zylindrischen Kragenelements 110a wird von vier Vorsprüngen 104a gestützt, und ein Flansch 110af kontaktiert den Flansch 92a. Ein Dichtziehbolzen (Sechseckbolzen) 112a wird in das zylindrische Kragenelement 110a eingesetzt, und der Dichtziehbolzen 112a wird in das Innengewindeelement 86a geschraubt. Somit wird das Verteilerdeckelelement 76a an dem Verteilerbasiselement 74a befestigt.
Wie in 1 gezeigt, ist der Kühlmittel-Abführsammler 72b an der zweiten Endplatte 18b befestigt. Wie in 6 und 7 gezeigt, sind die Bauelemente des Kühlmittel-Abführsammlers 72b, die identisch mit jenen des Kühlmittel-Zuführverteilers 72a sind, mit den gleichen Bezugszahlen und einem Buchstaben „b“ anstelle von „a“ bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung wird weggelassen. Das heißt, der Kühlmittel-Abführsammler enthält einen Sammlerbasisabschnitt 74b, einen Sammlerdeckelabschnitt 76b, zylindrische Kragenelemente 106b, 110b und Dichtziehbolzen 108b, 112b. Ein Loch 84b und ein Innengewinde 86b sind für den Sammlerbasisabschnitt 74b vorgesehen. Ein Flansch 92b und Löcher 94b, 96b sind für den Sammlerdeckelabschnitt 76b vorgesehen. Vorsprünge 100b sind an einer Innenumfangsfläche 98b des Lochs 94b vorgesehen. Vorsprünge 104b sind an einer Innenumfangsfläche 102b des Lochs 96b vorgesehen. Das Kragenelement 106b hat einen Flansch 106bf und eine Außenumfangsfläche 106bs, und das zylindrische Kragenelement 110b hat einen Flansch 110bf und eine Außenumfangsfläche 110bs. Das Dichtziehelement 108b ist in das Gewindeloch 77b geschraubt.
Kühlmittelauslassöffnungen (Fluidkanäle) 78b, die direkt mit dem KühlmittelAbführkanal 58b verbunden sind, sind an oberen und unteren Positionen des Kühlmittel-Abführsammlers 72b vorgesehen. In dem Kühlmittel-Abführsammler 72b ist ein Auslassrohr 90b als Kühlmittel-Abführöffnung im Wesentlichen in der mittigen Position eines Körpers 88b des Sammlerdeckelelements 76b in der Höhenrichtung vorgesehen. Das Auslassrohr 90b ist in horizontaler Richtung orientiert.
Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 mit der obigen Struktur beschrieben.
Zuerst wird, wie in 2 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Verteiler 68a der ersten Endplatte 18a dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a zugeführt. Ein Brenngas wie etwa Wasserstoffgas wird von einem Brenngas-Zuführverteiler 70a der ersten Endplatte 18a dem Brenngas-Zuführkanal 48a zugeführt.
Ferner wird, wie in 1 gezeigt, an der zweiten Endplatte 18b, ein Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglycol oder Öl, von dem Einlassrohrabschnitt 90a des Kühlmittel-Zuführverteilers 72a dem Kühlmittelkanal 87a in dem Körper 88a zugeführt. Das Kühlmittel wird auf jeden der Kühlmittelzuführkanäle 50a verteilt, die an oberen und unteren Positionen des Kühlmittelkanals 87a ausgebildet sind.
Daher fließt, wie in 3 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 des Kathodenseparators 42. Das sauerstoffhaltige Gas fließt entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung, und das sauerstoffhaltige Gas wird der Kathode 54 der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt.
Unterdessen fließt das Brenngas von dem Brenngas-Zuführkanal 48a zu dem Brenngasfließfeld 60 des Anodenseparators 44. Das Brenngas fließt entlang dem Brenngasfließfeld 60 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung, und das Brenngas wird der Anode 56 der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt.
Somit werden in der Membranelektrodenanordnung 40 das der Kathode 54 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 6 zugeführte Brenngas durch die elektrochemischen Reaktionen in den Elektrodenkatalysatorschichten teilweise verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Dann wird das sauerstoffhaltige Gas, das der Kathode 54 der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt und dort teilweise verbraucht ist, entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung abgeführt. Unterdessen wird das Brenngas, das der Anode 56 der Membranelektrodenanordnung 60 zugeführt und dort teilweise verbraucht ist, in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang dem Brenngasabführkanal 48b abgeführt.
Ferner fließt das Kühlmittel, das den oberen und unteren Kühlmittelzuführkanäle 50a zugeführt wird, in das Kühlmittelfließfeld 62 zwischen dem Kathodenseparator 42 und dem Anodenseparator 44. Das Kühlmittel, das dem Kühlmittelzuführkanal 50a an der oberen Position zugeführt wird, und das Kühlmittel, das dem Kühlmittelzuführkanal 50a an der unteren Position zugeführt wird, fließen zeitweilig aufeinander zu, d.h. fließen in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung einwärts, und dann bewegt sich das Kühlmittel in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung, um die Membranelektrodenanordnung 40 zu kühlen. Nachdem sich das Kühlmittel in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung auswärts bewegt hat, wird das Kühlmittel entlang den Kühlmittelabführkanälen 50b an den oberen und unteren Positionen in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung abgeführt.
Wie in 1 gezeigt, wird das Kühlmittel von dem Kühlmittelabführkanal 50b an der oberen Position und dem Kühlmittelabführkanal 50b an der unteren Position einem Kühlmittelkanal 87b in dem Körper 88b des Kühlmittelabführsammlers 7b abgeführt. Nachdem das Kühlmittel zur Mitte des Körpers 88b geflossen ist, wird das Kühlmittel von dem Auslassrohr 90b nach außen abgeführt.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung sind, wie in den 4 bis 6 gezeigt, die Löcher 84a, 94a in dem Verteilerbasiselement 74a und dem Verteilerdeckelelement 76a des Kühlmittel-Zuführverteilers 72a ausgebildet. Ferner ist das zylindrische Kragenelement 106a einstückig mit den Löchern 84a, 94a ausgebildet. In dieser Hinsicht wird die Außenumfangsfläche 106as des zylindrischen Kragenelements 106a von der Mehrzahl von Vorsprüngen 100a durch Punkt-zu-Punkt-Kontakt oder Linie-zu-Linie-Kontakt gestützt. Die Vorsprünge 100a sind an der Innenumfangsfläche 98a des Lochs 94a ausgebildet, und mit gleichen Winkelintervallen voneinander beabstandet, wobei sie in der radialen Richtung einwärts vorstehen.
Obwohl in der Struktur der Kühlmittel-Zuführverteiler 72a und das zylindrische Metallkragenelement 106a aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wirkt auf den Kühlmittel-Zuführverteiler 72a und das zylindrische Kragenelement 106a aufgrund einer durch Temperaturänderung hervorgerufenen unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnung keine übermäßige Belastung.
Daher wird es insbesondere möglich, die Bildung von Brüchen in dem Kühlmittel-Zuführverteiler 72a als Kunststoffprodukt zu vermeiden. Im Ergebnis ist es vorteilhaft möglich, eine Beschädigung des Kühlmittel-Zuführverteilers 72a so weit wie möglich zu vermeiden, und daher wird es möglich, den Kühlmittel-Zuführverteiler 72a geeignet und wirtschaftlich zu nutzen. Der Kühlmittel-Abführsammler 72b hat die gleiche Struktur wie der obige Kühlmittel-Zuführverteiler 72a. Daher kann man mit dem Kühlmittel-Abführsammler 72b die gleichen Vorteile wie mit dem Kühlmittel-Zuführverteiler 72a erhalten.
Ferner ist, wie in den 4, 5 und 7 gezeigt, das Loch 96a in dem Verteilerdeckelelement 76a des Kühlmittel-Zuführverteilers 72a ausgebildet, und ist das zylindrische Kragenelement 110a in das Loch 96a eingesetzt. In dieser Hinsicht wird die Außenumfangsfläche 110as des zylindrischen Kragenelements 110a durch die Mehrzahl von Vorsprüngen 104a durch Punkt-zu-Punkt-Kontakt oder Linie-zu-Linie-Kontakt gestützt. Die Vorsprünge 104a sind auf der Innenumfangsfläche 102a des Lochs 96a ausgebildet und mit gleichen Winkelintervallen voneinander beabstandet, wobei sie in der radialen Richtung einwärts vorstehen.
Obwohl in der Struktur das Kunststoff-Verteilerdeckelelement 76a und das zylindrische Kragenelement 110a aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wirkt auf das Kunststoff-Verteilerdeckelelement 76a und das zylindrische Kragenelement 110a aufgrund einer durch Temperaturänderung hervorgerufenen unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnung keine übermäßige Belastung.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Kühlmittel-Zuführverteiler 72a aus separaten Elementen gebildet, d.h. dem Verteilerbasiselement 74a und dem Verteilerdeckelelement 76a. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Zum Beispiel kann das Verteilerbasiselement 74a und das Verteilerdeckelelement 76a auch einstückig ausgebildet werden, um den Kühlmittel-Zuführverteiler 72a als einzelnes Bauteil auszubilden. Ähnlich kann der Kühlmittel-Abführsammler 72b als einzelnes Bauteil ausgebildet werden. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Anwendung für Kühlmittel beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch auf Reaktionsgas-Zuführverteiler und Reaktionsgas-Abführsammler für das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas anwendbar.
(Zweite Ausführung)
Nun wird ein Brennstoffzellenstapel 10A gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 10A, die mit jenen des Brennstoffzellenstapels 10 identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
Wie in 8 gezeigt, enthält der Brennstoffzellenstapel 10A gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung einen Kühlmittel-Zuführverteiler 114a anstelle des Kühlmittel-Zuführverteilers 72a, und einen Kühlmittel-Abführsammler 114b anstelle des Kühlmittel-Abführsammlers 72b. Wie in 9 gezeigt, ist in dem Kühlmittel-Zuführverteiler 114a ein Dichtungselement 82a zwischen dem Verteilerbasiselement 74a und der zweiten Endplatte 14b durch eine in der zweiten Endplatte 18b ausgebildete Umfangsnut 81a angeordnet. Das Verteilerbasiselement 74a ist an dem zylindrischen Kragenelement 106a schwimmend gelagert (siehe 10).
Wie in den 9 und 10 gezeigt, sind Vorsprünge 100a an der Innenumfangsfläche 98a des Lochs 94a des Flanschs 92a vorgesehen. Die Vorsprünge 100a stützen eine Außenumfangsfläche 106as des zylindrischen Kragenelements 106a. Die Außenumfangsfläche 106as kann von der Innenumfangsfläche 98a weg geneigt sein. Es sollte angemerkt werden, dass die Außenumfangsfläche des zylindrischen Kragenelements 106a in die Innenumfangsfläche 98a des Lochs 94a eingesetzt werden kann, ohne die Vorsprünge 100a in dem Loch 94a vorzusehen. Ferner kann die Außenumfangsfläche des zylindrischen Kragenelements 110a in die Innenumfangsfläche 102a des Lochs 96a eingesetzt werden, ohne die Vorsprünge 100a in dem Loch 96a des Flanschs 92a vorzusehen.
Das Verteilerbasiselement 74a hat eine Verteiler-Seitenfläche 116a, die zur zweiten Endplatte 18b weist. Die zweite Endplatte 18b hat eine Endplatten-Seitenfläche 118a, die zu dem Verteilerbasiselement 74a weist. Wie in 10 gezeigt, ist in dem Zustand, in dem der Kühlmittel-Zuführverteiler 114a zu der zweiten Endplatte 18b dichtgezogen ist, eine Lücke S1 zwischen der Verteiler-Seitenfläche 116a und der Endplatten-Seitenfläche 118a ausgebildet.
Wie in den 9 und 10 gezeigt, enthält das Verteilerbasiselement 74a eine Basis-Seitenfläche 120, die zu dem Verteilerdeckelelement 76a weist. Das Verteilerdeckelelement 76a hat eine Deckel-Seitenfläche 122, die zu dem Verteilerbasiselement 74a weist. Wie in 10 gezeigt, ist in dem Zustand, in dem der Kühlmittel-Zuführverteiler 114 dicht an die zweite Endplatte 1188b gekoppelt ist, eine Lücke S2 zwischen dieser Basis-Seitenfläche 120 und der Deckel-Seitenfläche 122 ausgebildet.
Die Lücke S1 wird durch Bestimmung der Abmessung des zylindrischen Kragenelements 106a in der axialen Richtung und die Abmessung des zylindrischen Kragenelements 110a in der axialen Richtung eingestellt. Die Lücke S2 wird zur Bestimmung der Abmessung des zylindrischen Kragenelements 110a in der axialen Richtung eingestellt. Zum Beispiel liegen die Lücken im Bereich von 0,1mm bis 0,4mm. Bevorzugt kann die Lücke S1 größer sein als die Lücke S2 (S1>S2).
Wie in 8 gezeigt, ist der Kühlmittel-Abführsammler 114b an der zweiten Endplatte 18b befestigt. Wie in 10 gezeigt, sind die Bauelemente des Kühlmittel-Abführsammlers 114b, die mit jenen des Kühlmittel-Zuführverteilers 114a identisch sind, mit den gleichen Bezugszahlen und dem Buchstaben „b“ anstelle von „a“ bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
In der zweiten Ausführung ist, wie in 10 gezeigt, in dem Zustand, in dem der Kühlmittel-Zuführverteiler 114a dicht mit der zweiten Endplatte 18b gekoppelt ist, eine Lücke S11 zwischen der Verteiler-Seitenfläche 116 und der Endplatten-Seitenfläche 118a ausgebildet.
Wenn daher, wie in 11 gezeigt, eine Verformung in der zweiten Endplatte 18b auftritt, zum Beispiel dann, wenn die zweite Endplatte 18b durch Verformung gebogen wird, fungiert die Lücke S1 als Zwischenraum zum Vermeiden einer Wechselwirkung mit der zweiten Endplatte 18b und dem Kühlmittel-Zuführverteiler 114a. Insbesondere wird dank der Lücke S1, im Vergleich zur Biegeverformung der zweiten Endplatte 18b, eine Biegeverformung des Verteiler-Basiselements 74a auf einen kleinen Grad gedrückt. Ferner wird das zylindrische Kragenelement 106a in das Loch 84a mit einem Zwischenraum S3 im Bereich von etwa 0,1mm bis 0,3mm eingesetzt. In der Struktur ist es möglich, eine Verformung des Verteilerbasiselements 74a auf ein größeres Ausmaß zu vermeiden.
Daher wird es zum Beispiel möglich, die Bildung von Brüchen in dem Kühlmittel-Zuführverteiler 114a zu vermeiden. Dementsprechend wird es möglich, eine Beschädigung des Kühlmittel-Zuführverteiler 114a aufgrund einer Verformung der zweiten Endplatte 18b so weit wie möglich zu vermeiden, und daher wird es möglich, den Kühlmittel-Zuführverteiler 114a geeignet und wirtschaftlich zu nutzen.
Ferner ist, wie in 10 gezeigt, in dem Zustand, in dem der Kühlmittel-Zuführverteiler 114 mit der zweiten Endplatte 14b dicht gekoppelt ist, die Lücke S2 zwischen der Basis-Seitenfläche 120 und der Deckel-Seitenfläche 122 ausgebildet.
Wenn daher, wie in 11 gezeigt, die zweite Endplatte 18b verformt wird, zum Beispiel durch Verformung gebogen wird, fungiert die Lücke S2 als Zwischenraum zur Vermeidung von Wechselwirkung mit dem Verteilerbasiselement 74a und dem Verteilerdeckelelement 76a. Insbesondere wird dank der Lücke S2, im Vergleich zur Biegeverformung des Verteilerbasiselements 74a, eine Biegeverformung des Verteilerdeckelelements 76a auf einen kleinen Betrag verringert.
Somit wird es insbesondere möglich, die Bildung von Brüchen in dem Verteilerdeckelelement 76a zu vermeiden. In der Struktur ist es möglich, eine Beschädigung des Kühlmittel-Zuführverteilers 114a aufgrund einer Verformung der zweiten Endplatte 18b so weit wie möglich zu unterdrücken, und daher wird es möglich, den Kühlmittel-Zuführverteiler 114a geeignet und wirtschaftlich zu nutzen. In dem Kühlmittel-Abführsammler 114b erhält man die gleichen Vorteile wie im Falle des Kühlmittel-Zuführverteilers 114a.
(Dritte Ausführung)
Nun wird eine Brennstoffzellenstapel 10B gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 12 gezeigt, enthält der Brennstoffzellenstapel 10B gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung einen Kühlmittel-Zuführverteiler 132a, und der Kühlmittel-Zuführverteiler 132a ist an der zweiten Endplatte 18b angebracht.
Der Kühlmittel-Zuführverteiler 132a ist ein einzelnes Bauteil, das einstückig aus dem Verteilerbasiselement 74a und dem Verteilerdeckelelement 76a gemäß der zweiten Ausführung ausgebildet ist. Die Bauelemente der dritten Ausführung, die mit jenen der zweiten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und die detaillierte Beschreibung ist weggelassen. Der Kühlmittel-Abführsammler 132b, der die gleiche Struktur wie der Kühlmittel-Zuführverteiler 132a hat, ist an der zweiten Endplatte 18b angebracht.
In der dritten Ausführung mit der obigen Struktur ist in dem Zustand, in dem der Kühlmittel-Zuführverteiler 132a dicht an die zweite Endplatte 18b gekoppelt ist, eine Lücke S1 zwischen einer Verteiler- oder Sammler-Seitenfläche 116a und einer Endplatten-Seitenfläche 118 ausgebildet. Wenn daher eine Verformung in der zweiten Endplatte 18b auftritt, fungiert die Lücke S1 als Spielraum, um eine Wechselwirkung mit der zweiten Endplatte 18b und dem Kühlmittel-Zuführverteiler 132a zu unterdrücken.
Daher wird es möglich, eine Beschädigung des Kühlmittel-Zuführverteiler 132a aufgrund einer Verformung der zweiten Endplatte 18b so weit wie möglich zu unterdrücken. Dementsprechend erhält man die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung. Zum Beispiel wird es möglich, den Kühlmittel-Zuführverteiler 132a geeignet und wirtschaftlich zu nutzen.

Claims

Brennstoffzellenstapel (10), der eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen (12) enthält, wobei jede der Stromerzeugungszellen (12) eine Membranelektrodenanordnung (40) und einen Separator (42, 44) aufweist, die zusammengestapelt sind, wobei die Membranelektrodenanordnung (40) eine Elektrolytmembran (52) und auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran (52) vorgesehene Elektroden (54, 56) enthält, wobei die Stromerzeugungszellen (12) in einer Stapelrichtung zusammengestapelt sind, wobei Endplatten (18a, 18b) an in der Stapelrichtung beiden Enden vorgesehen sind, und eine der Endplatten (18b) einen Kunststofffluidverteiler oder -sammler (72a, 72b) aufweist, der konfiguriert ist, um zu erlauben, dass ein Kühlmittel, ein Brenngas oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Fluid durch den Kunststofffluidverteiler oder -sammler (72a, 72b) fließt; wobei der Brennstoffzellenstapel (10) aufweist: ein Loch (84a, 84b, 94a, 94b), das in dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler (72a, 72b) ausgebildet ist; ein zylindrisches Kragenelement (106a, 106b), das in dem Loch (84a, 84b, 94a, 94b) vorgesehen ist; und einen Dichtziehbolzen (108a, 108b), der in das zylindrischen Kragenelement (106a, 106b) eingesetzt ist und in die eine der Endplatten (18b) geschraubt ist, wobei eine Mehrzahl von Vorsprüngen (100a, 100b) an einer Innenumfangsfläche (98a, 98b) des Lochs (94a, 94b) ausgebildet sind, wobei die Vorsprünge (100a, 100b) in radialer Richtung einwärts vorstehen und konfiguriert sind, um eine Außenumfangsfläche (106as, 106bs) des zylindrischen Kragenelements (106a, 106b) zu stützen.
Der Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Vorsprünge (100a, 100b) drei oder mehr beträgt, und die Vorsprünge (100a, 100b) an der Innenumfangsfläche (98a, 98b) des Lochs (94a, 94b) mit gleichen Winkelintervallen ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (10A, 10B), der eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen (12) enthält, wobei jede der Stromerzeugungszellen (12) eine Membranelektrodenanordnung (40) und einen Separator (42, 44) aufweist, die zusammengestapelt sind, wobei die Membranelektrodenanordnung (40) eine Elektrolytmembran (52) und auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran (52) vorgesehene Elektroden (54, 56) enthält, wobei die Stromerzeugungszellen (12) in einer Stapelrichtung zu einem Stapelkörper zusammengestapelt sind, wobei Endplatten (18a, 18b) an beiden Enden des Stapelkörpers in der Stapelrichtung vorgesehen sind, und eine der Endplatten (18b) einen Kunststofffluidverteiler oder -sammler (114a, 114b, 132a, 132b) aufweist, der konfiguriert ist, um zu erlauben, dass ein Kühlmittel, ein Brenngas oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Fluid durch den Kunststofffluidverteiler oder -sammler (114a, 114b, 132a, 132b) fließt, wobei der Brennstoffzellenstapel (10A, 10B) aufweist: ein Loch (84a, 84b, 94a, 94b), das in dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler (114a, 114b, 132a, 132b) ausgebildet ist; ein Kragenelement (106a, 106b), das in dem Loch (84a, 84b, 94a, 94b) vorgesehen ist; einen Dichtziehbolzen (108a, 108b), der in das Kragenelement (106a, 106b) eingesetzt und in die eine der Endplatten (18b) geschraubt ist, wobei in einem Zustand, in dem der Kunststofffluidverteiler oder - sammler (114a, 114b, 132a, 132b) dicht an eine der Endplatten (18b) gekoppelt ist, eine Lücke (S1) zwischen einer Verteiler- oder Sammler-Seitenfläche (116) des Kunststofffluidverteilers oder -sammlers (114a, 114b, 312a, 132b), die zu der einen der Endplatten (18b) weist, und einer Endplatten-Seitenfläche (118) der einen der Endplatten (18b), die zu dem Kunststofffluidverteiler oder -sammler (114a, 114b, 132a, 132b) weist, ausgebildet ist.
Der Brennstoffzellenstapel (10A) nach Anspruch 3, wobei der Kunststofffluidverteiler oder -sammler (114a, 114b, 132a, 132b) aufweist: ein Verteiler- oder Sammlerbasiselement (74a, 74b), das einer der Endplatten (18b) benachbart ist; und ein Verteiler- oder Sammlerdeckelelement (76a, 76b), das mit dem Verteiler- oder Sammlerbasiselement (74a, 74b) fest überlappt, wobei ein Fluidkanal zwischen dem Verteiler- oder Sammlerbasiselement (74a, 74b) und dem Verteiler- oder Sammlerdeckelelement (76a, 76b) ausgebildet ist, wobei eine Lücke (S2) zwischen einer Basis-Seitenfläche (120) des Verteiler- oder Sammlerbasiselements (74a, 74b), die zu dem Verteiler- oder Sammlerdeckelelement (76a, 76b) weist, und einer Deckel-Seitenfläche (122) des Verteiler- oder Sammlerdeckelelements (76a, 76b), die zu dem Verteiler- oder Sammlerbasiselement (74a, 74b) weist, ausgebildet ist.
Der Brennstoffzellenstapel (10A, 10B) nach Anspruch 3 oder 4, wobei wenigstens eine der Lücken (S1, S2) eine Größe im Bereich von 0,1mm bis 0,4mm hat.