DE102017124843B4

DE102017124843B4 - Einzelzelle einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102017124843B4
Application number: DE102017124843.9A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Nonoyama; Masaya Kobayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: JP6690503B2; US20180131013A1; JP2018078020A; CA2984043C; DE102017124843A1; CN108063273B; US10483560B2; CA2984043A1; KR101963976B1; KR20180052088A; CN108063273A

Abstract

Einzelzelle einer Brennstoffzelle zum Bilden eines Stapels, wobei die Einzelzelle umfasst:eine Membran-Elektroden-Anordnung (210); undeinen ersten Separator (300) und einen zweiten Separator (400), welche die Membran-Elektroden-Anordnung (210) zwischen sich halten, wobeider erste Separator (300) mehrere erste Nutenkanäle (350ca) aufweist, die gerade oder gewellt sind und parallel zueinander in einer ersten, in der Ebene liegenden Richtung angeordnet sind,ein Querschnitt entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung jedes der mehreren ersten Nutenkanäle (350ca) eine erste ungleichmäßige Form aufweist,die erste ungleichmäßige Form einen ersten Teilungsabstand P1 entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung aufweist,der zweite Separator (400) mehrere zweite Nutenkanäle (450an) aufweist, die gewellt sind und entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung angeordnet sind,ein Querschnitt entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung jedes der mehreren zweiten Nutenkanäle (450an) eine zweite ungleichmäßige Form aufweist,die zweite ungleichmäßige Form einen zweiten Teilungsabstand P2 entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung aufweist,der erste Teilungsabstand P1 und der zweite Teilungsabstand P2 voneinander verschieden sind und weder ein Wert von P1/P2 noch ein Wert von P2/P1 eine ganze Zahl ist, undder erste Teilungsabstand P1 und der zweite Teilungsabstand P2 1 < P1/P2 < 3/2 oder 1 < P2/P1 < 3/2 erfüllen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einzelzelle einer stapelbildenden Brennstoffzelle, insbesondere eine Struktur eines Nutenkanals in einem Separator, der in der Einzelzelle der Brennstoffzelle beinhaltet ist.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Eine Struktur einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle ist in der JP 2011-119061 A beschrieben. In der Einzelzelle ist ein gewellter Nutenkanal für Reaktionsgas jeweils in einem Separator, der auf einer Elektrodenseite vorgesehen ist, und in einem Separator, der auf der anderen Elektrodenseite in einem Elektrolyt-/Elektroden-Strukturkörper (einer Membran-Elektroden-Anordnung) vorgesehen ist, gebildet.
Ferner offenbart die DE 11 2004 001 773 T5 ein Fluidströmungsplattenpaar, mit einer ersten Fluidströmungsplatte, die eine Vielzahl erster Kanäle umfasst, die durch erste Stege getrennt sind; und einer zweiten Fluidströmungsplatte, die eine Vielzahl zweiter Kanäle umfasst, die durch zweite Stege getrennt sind, wobei zumindest einer der zweiten Stege eine Querschnittsbreite besitzt, die breiter als eine Querschnittsbreite zumindest eines der ersten Stege ist.
Zudem offenbart die DE 20 2011 109 654 U1 einen Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend: einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases sowie einen zweiten Eingang zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases, mindestens eine erste sowie eine zweite Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium, wobei die erste sowie die zweite Strömungsplatte jeweils Kanäle zur Gasführung aufweisen und bei mindestens einer Strömungsplatte zumindest bereichsweise in der Planflächenebene der Strömungsplatte sich die Kanäle derart wellenförmig erstrecken, dass die Kanäle der ersten sowie der zweiten Strömungsplatte zumindest in diesem Bereich nicht formschlüssig ineinandergreifen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn die oben beschriebenen mehreren Brennstoffzellen gestapelt sind, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, dann liegt bei einem Separator der Einzelzelle einer der benachbarten Brennstoffzellen und dem Separator der Einzelzelle der anderen benachbarten Brennstoffzelle ein Aufbau derart vor, dass eine in einer Stapelrichtung aufgebrachte Last durch ganze Kontaktflächen von erhabenen Oberflächen auf einer gegenüberliegenden Seite, welche ausgenommenen Oberflächen von Nutenkanälen für das Reaktionsgas entsprechen, getragen wird.
In den Fällen jedoch, in denen Positionen der Einzelzellen der benachbarten Brennstoffzellen in einer in der Ebene liegenden Richtung der Einzelzelle der Brennstoffzelle fehlausgerichtet sind und dadurch Positionen der benachbarten Separatoren fehlausgerichtet sind, kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Kontaktflächen der Separatoren und einer Verkleinerung einer Fläche der Kontaktflächen, und eine Verteilung des Bereichs, in dem die Last getragen wird, wird verändert. Folglich tritt ein Problem dahingehend auf, dass Strukturen des Brennstoffzellenstapels und der Einzelzelle der Brennstoffzelle instabil werden. Darüber hinaus steigt eine Differenz zwischen der Verteilung einer Last, die von einem der Separatoren, welche die Membran-Elektroden-Anordnung halten, auf die Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht wird, und der Verteilung einer Last, die von dem anderen Separator auf die Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht wird, und die Last wird ungleichmäßig auf eine der Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht. Somit tritt ein Problem dahingehend auf, dass die Membran-Elektroden-Anordnung möglicherweise beschädigt wird.
Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle, aufweisend: eine Membran-Elektroden-Anordnung; und einen ersten und einen zweiten Separator, welche die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen sich halten. Der erste Separator weist mehrere erste Nutenkanäle auf, die gerade oder gewellt sind und parallel zueinander in einer ersten, in der Ebene liegenden Richtung angeordnet sind. Ein Querschnitt entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung jedes der mehreren ersten Nutenkanäle weist eine erste ungleichmäßige Form auf. Die erste ungleichmäßige Form weist einen ersten Teilungsabstand P 1 entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung auf. Der zweite Separator weist mehrere zweite Nutenkanäle auf, die gewellt sind und entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung ausgerichtet sind. Ein Querschnitt entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung jedes der mehreren zweiten Nutenkanäle weist eine zweite ungleichmäßige Form auf. Die zweite ungleichmäßige Form weist einen zweiten Teilungsabstand P2 entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung auf. Der erste Teilungsabstand P1 und der zweite Teilungsabstand P2 sind voneinander verschieden, und weder ein Wert von P1/P2 noch ein Wert von P2/P1 ist eine ganze Zahl. Gemäß der Einzelzelle der Brennstoffzelle kann in diesem Aspekt selbst in den Fällen, in denen Positionen der benachbarten Einzelzellen der Brennstoffzelle in der in der Ebene liegenden Richtung der Einzelzellen der Brennstoffzelle fehlausgerichtet sind und dadurch Positionen der benachbarten Separatoren während des Stapelns der Einzelzellen der Brennstoffzelle fehlausgerichtet werden, eine ungleichmäßige Verteilung von Kontaktflächen der Separatoren unterbunden werden, und eine Verkleinerung einer Fläche der Kontaktflächen kann unterbunden werden, und es kann verhindert werden, dass Strukturen eines Brennstoffzellenstapels und der Einzelzelle der Brennstoffzelle instabil werden.
Die mehreren ersten Nutenkanäle und die mehreren zweiten Nutenkanäle können in einem Bereich gebildet sein, welcher der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüberliegt. Gemäß der Einzelzelle der Brennstoffzelle kann in diesem Aspekt eine Differenz zwischen der Verteilung einer Last, die von einem der Separatoren, welche die Membran-Elektroden-Anordnung halten, auf die Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht wird, und der Verteilung einer Last, die von dem anderen Separator auf die Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht wird, unterbunden werden, eine ungleichmäßige Aufbringung der Last auf eine Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung kann unterbunden werden, und eine Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung kann unterbunden werden.
Der erste Teilungsabstand P1 und der zweite Teilungsabstand P2 erfüllen 1 < P1/P2 < 3/2 oder 1 < P2/P1 < 3/2. Bei einer solchen Konfiguration kann die Fehlausrichtung der Kontaktflächen der Separatoren in einer Fehlausrichtungsrichtung in dem Fall verringert werden, dass die Positionen der benachbarten Einzelzellen der Brennstoffzelle in der in der Ebene liegenden Richtung der Einzelzellen der Brennstoffzelle während des Stapelns der Einzelzellen der Brennstoffzelle fehlausgerichtet werden. Demgemäß kann ferner eine ungleichmäßige Verteilung der Kontaktflächen der Separatoren effizient unterbunden werden, die Verkleinerung der Fläche der Kontaktflächen kann unterbunden werden, und es kann verhindert werden, dass die Strukturen des Brennstoffzellenstapels und der Einzelzellen der Brennstoffzelle instabil werden.
Jeder der mehreren ersten Nutenkanäle kann ein gerader Nutenkanal sein. So ist beispielsweise der erste Nutenkanal, welcher dazu dient, um aus zwei Typen des der Membran-Elektroden-Anordnung zugeführten Reaktionsgases das Reaktionsgas mit einer höheren Strömungsrate zuzuführen, als der gerade Nutenkanal konfiguriert, wodurch ein Anstieg eines Druckverlusts des Reaktionsgases unterbunden werden kann und eine Verschlechterung einer Leistungserzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle verringert werden kann.
In einem Fall, dass die Breite eines flachen Abschnitts einer ersten Erhebung auf einer Rückseite des ersten Nutenkanals als D1 festgelegt wird, eine Amplitude einer gewellten Form einer zweiten Erhebung auf einer Rückseite des zweiten Nutenkanals als Aw festgelegt wird und eine Breite eines flachen Abschnitts der zweiten Erhebung als D2 festgelegt wird, kann die Amplitude Aw so festgelegt werden, dass sie eine durch eine nachstehende Gleichung (1) ausgedrückte Relation erfüllt: $2 \cdot P 1 - (D 1 + D 2) < Aw < 4 \cdot P 1 - (D 1 + D 2)$
Bei einer solchen Konfiguration wird die Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals so festgelegt, dass sie eine durch die obige Gleichung (1) ausgedrückte Relation erfüllt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Strukturen des Brennstoffzellenstapels und der Einzelzellen der Brennstoffzelle durch die Fehlausrichtung des Stapels instabil werden, der Anstieg des Druckverlusts des Reaktionsgases, das durch den zweiten Nutenkanal strömt, kann unterbunden werden, und die Verschlechterung der Leistungserzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle kann verringert werden.
Der erste Nutenkanal des ersten Separators kann ein Kanal sein, der dazu dient, um einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung Oxidationsgas zuzuführen, und der zweite Nutenkanal des zweiten Separators kann ein Kanal sein, der dazu dient, um einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung Brenngas zuzuführen. Bei einer solchen Konfiguration dient der erste Nutenkanal, der gerade Nutenkanal, als der Kanal für das Oxidationsgas, dessen Zuführströmungsrate höher ist als jene des Brenngases. Demgemäß kann der Druckverlust des Reaktionsgases verringert werden, und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle kann verbessert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung in verschiedenen Aspekten realisierbar ist. Beispielsweise ist die Erfindung nicht nur als die Einzelzelle der Brennstoffzelle realisierbar, sondern darüber hinaus auch in Aspekten eines Brennstoffzellenstapels, in dem die Einzelzellen der Brennstoffzelle gestapelt sind, und dergleichen.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen und wobei:

1 eine Ansicht ist, welche eine äußere Erscheinung eines Brennstoffzellenstapels schematisch veranschaulicht;
2 eine schematische perspektivische Explosionsansicht von zwei zueinander benachbarten Einzelzellen ist;
3 eine schematische perspektivische Ansicht ist, in der ein Teil eines Hauptkanals eines ersten Separators vergrößert ist;
4 eine schematische perspektivische Ansicht ist, in der ein Teil eines Hauptkanals eines zweiten Separators vergrößert ist;
5 eine schematische perspektivische Ansicht ist, in der die Teile der Hauptkanäle der beiden Separatoren in zueinander benachbarten Zuständen vergrößert sind;
6 eine schematische Querschnittsansicht ist, in der die drei zueinander benachbarten Einzelzellen vergrößert sind;
7 eine schematische Querschnittsansicht ist, in der drei Einzelzellen als ein Vergleichsbeispiel vergrößert sind;
8 eine schematische Ansicht von Teilen von zueinander benachbarten ersten geraden Erhebungen und zweiten gewellten Erhebungen in einem anderen Vergleichsbeispiel ist;
9 eine Ansicht ist, welche Kontaktteile in dem Fall veranschaulicht, in dem ein Fehlausrichtungsbetrag dy in dem Vergleichsbeispiel von 8 0 ist;
10 eine Ansicht ist, welche die Kontaktteile in dem Fall veranschaulicht, in dem der Fehlausrichtungsbetrag dy in dem Vergleichsbeispiel von 8 (P1/2) ist;
11 eine schematische Ansicht von Teilen der ersten geraden Erhebungen und der zweiten gewellten Erhebungen, welche zueinander benachbart sind, als einer Ausführungsform ist;
12 eine Ansicht ist, welche die Kontaktteile in dem Fall veranschaulicht, in dem der Fehlausrichtungsbetrag dy in der Ausführungsform von 11 0 ist;
13 eine Ansicht ist, welche die Kontaktteile in dem Fall veranschaulicht, in dem der Fehlausrichtungsbetrag dy in der Ausführungsform von 11 (P1/4) ist;
14 eine Ansicht ist, welche die Kontaktteile in dem Fall veranschaulicht, in dem der Fehlausrichtungsbetrag dy in der Ausführungsform von 11 (P1/2) ist;
15 eine Ansicht ist, welche eine Untergrenze einer Amplitude des zweiten Nutenkanals veranschaulicht; und
16 eine Ansicht ist, welche eine Obergrenze der Amplitude des zweiten Nutenkanals veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Ausführungsformen:
1 ist eine Ansicht, welche eine äußere Erscheinung eines Brennstoffzellenstapels 10 schematisch veranschaulicht. In 1 ist eine X-Richtung eine Längsrichtung einer Brennstoffzelle 100, eine Y-Richtung ist eine Kurzrichtung derselben und eine Z-Richtung ist eine Stapelrichtung derselben. Gleiches gilt für die übrigen Zeichnungen.
Der Brennstoffzellenstapel 10 beinhaltet „Einzelzellen“ (einfach auch bezeichnet als „Brennstoffzellen“) 100 der Brennstoffzelle, Anschlussplatten 110, Isolierplatten 120 und Endplatten 130. Die mehreren Brennstoffzellen 100 sind vorgesehen, in der Z-Richtung gestapelt und bilden einen Stapel. Die Anschlussplatten 110 sind jeweils auf beiden Seiten der mehreren gestapelten Brennstoffzellen 100 angeordnet und dienen dazu, den Brennstoffzellen 100 eine Spannung und einen Strom zu entnehmen. Die Isolierplatten 120 sind jeweils auf Außenseiten der Anschlussplatten 110 angeordnet. Die Endplatten 130 sind jeweils auf beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet, um die gestapelten Brennstoffzellen 100, die Anschlussplatten 110 und die Isolierplatten 120 zu fixieren.
Jede der Brennstoffzellen 100, der Anschlussplatten 110, der Isolierplatten 120 und der Endplatten 130 weist mehrere Öffnungen auf. Die in jeder der Komponenten vorgesehenen Öffnungen kommunizieren jeweils mit den in den anderen Komponenten vorgesehenen Öffnungen, um Verteiler M1 bis M6 zu bilden. Da der Verteiler M1 zum Zuführen von Brenngas zu Anoden der Brennstoffzellen 100 dient, wird er auch als ein Brenngas-Zuführverteiler M1 bezeichnet. Nachstehend werden die Verteiler M2 bis M6 aufgrund ihrer Funktionen auch als ein „Brenngas-Abfuhrverteiler M2“, ein „Oxidationsgas-Zufuhrverteiler M3“, ein „Oxidationsgas-Abfuhrverteiler M4“, ein „Kältemittel-Zuführverteiler M5“ bzw. ein „Kältemittel-Abfuhrverteiler M6“ bezeichnet.
2 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht von zwei benachbarten Einzelzellen 100a, 100b der mehreren Einzelzellen 100, welche den Brennstoffzellenstapel 10 in 1 bilden. Jedoch ist lediglich ein zu der Einzelzelle 100a benachbarter Separator 400 für die Einzelzelle 100b gezeigt, und die anderen Komponenten hiervon sind nicht gezeigt.
Die Einzelzellen 100a, 100b beinhalten jeweils: einen Harzrahmen 200, der eine Membran-Elektrodenanordnung 210 als einen Leistungserzeugungskörper aufnimmt; und die gepaarten Separatoren 300, 400, welche die Membran-Elektroden-Anordnung 210 zwischen sich halten. Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA von engl. „Membrane Electrode Assembly“) 210 beinhaltet eine katalysatorüberzogene Membran (CCM von engl. „Catalyst Coated Membrane“) und Gasdiffusionsschichten, welche auf beiden Oberflächen der CCM vorgesehen sind. Die CCM beinhaltet eine Elektrolytmembran und katalytische Schichten, welche auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran vorgesehen sind. Die Elektrolytmembran ist eine Polyelektrolytmembran, die aus fluorbasiertem Sulfonsäurepolymer als ein festes Polymermaterial gebildet ist und in einem feuchten Zustand eine günstige Protonenleitfähigkeit aufweist. Als die Elektrolytmembran kann anstelle einer fluorbasierten Sulfonsäuremembran eine fluorbasierte Phosphonsäuremembran, eine fluorbasierte Carbonsäuremembran oder dergleichen verwendet werden. Die katalytischen Schichten sind jeweils konfiguriert, indem sie beinhalten: einen Katalysatorträger (zum Beispiel Kohlenstoffpartikel), der ein katalytisches Metall (zum Beispiel Platin) trägt, in dem eine elektrochemische Reaktion abläuft; und einen Polyelektrolyten (zum Beispiel ein fluorbasiertes Harz), der die Protonenleitfähigkeit aufweist. Als der Katalysatorträger können als repräsentative Beispiele anstelle der Kohlenstoffpartikel aus Kohlenstoffruß oder dergleichen ein Kohlenstoffmaterial, wie etwa Kohlenstoffnanoröhrchen und Kohlenstoffnanofaser, eine Siliziumcarbid aufweisende Kohlenstoffverbindung und dergleichen, oder Ähnliches verwendet werden. Darüber hinaus kann als das katalytische Metall anstelle von Platin beispielsweise eine Platinlegierung, Palladium, Rhodium oder dergleichen verwendet werden. Die Gasdiffusionsschichten sind jeweils aus einem Element mit elektrischer Leitfähigkeit, wie etwa Kohlenstoffpapier, nicht gewebtem Kohlenstofftuch, einem metallischen, porösen Körper oder Streckmetall, gebildet. Die katalytischen Schichten und die Gasdiffusionsschichten auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran stellen Elektroden (eine Kathode und eine Anode) der Membran-Elektroden-Anordnung 210 dar.
Der Harzrahmen 200 befindet sich zwischen den gepaarten Separatoren 300, 400 und verhindert dadurch einen Kurzschluss der Separatoren 300, 400 und verhindert auch ein Entweichen von durch die Einzelzelle 100 hindurchtretendem Reaktionsgas (des Brenngases, Oxidationsgases) und eines Kühlmediums nach außen. Der Harzrahmen 200 wird unter Verwendung eines Harzes, wie etwa Polypropylen, eines Phenolharzes oder eines Epoxidharzes, gebildet.
Der Harzrahmen 200 weist eine rechteckige äußere Form auf und nimmt die Membran-Elektroden-Anordnung 210 in einer Öffnung in einer Mitte auf. Durchgangslöcher 221, 222, 231, 232, 241, 242, welche jeweils einen Teil des Verteilers bilden, sind rund um die Membran-Elektroden-Anordnung 210 in dem Harzrahmen 200 gebildet. Konkret stellt das Durchgangsloch 221 einen Teil des Brenngas-Zuführverteilers M1 dar, durch den das von außen zugeführte Brenngas (Wasserstoffgas) in jede der Einzelzellen 100 strömt, und das Durchgangsloch 222 stellt einen Teil des Brenngas-Abführverteilers M2 dar, durch den abgeführtes Gas des Brenngases (nachstehend auch als das „abgeführte Brenngas“ bezeichnet), welches aus jeder der Einzelzellen 100 abgeführt wird, nach au-ßen strömt. Das Durchgangsloch 231 stellt einen Teil des Oxidationsgas-Zuführverteilers M3 dar, durch den das von außen zugeführte Oxidationsgas (Luft) in jede der Einzelzellen 100 strömt, und das Durchgangsloch 232 stellt einen Teil des Oxidationsgas-Zuführverteilers M4 dar, durch den abgeführtes Gas des Oxidationsgases (nachstehend auch als das „abgeführte Oxidationsgas“ bezeichnet), welches aus jeder der Einzelzellen 100 abgeführt wird, nach außen strömt. Das Durchgangsloch 241 stellt einen Teil des Kältemittel-Zuführverteilers M5 dar, durch den das von außen zugeführte Kühlmedium in jede der Einzelzellen 100 strömt, und das Durchgangsloch 242 stellt einen Teil des Kältemittelabführ-Verteilers M6 dar, durch den das abgeführte Kühlmedium strömt.
Die gepaarten Separatoren 300, 400 sind angeordnet, um den Harzrahmen 200, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufnimmt, von beiden Seiten zu halten, und sind jeweils anhand eines Dichtmittels an dem Harzrahmen 200 angehaftet. Der eine Separator 300 ist auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung 210 angeordnet, und der andere Separator 400 ist auf der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung 210 angeordnet. Nachstehend wird der Separator 300 auch als ein „erster Separator 300“ bezeichnet, und der Separator 400 wird auch als ein „zweiter Separator 400“ bezeichnet.
Die Separatoren 300, 400 sind jeweils aus einem Element mit einer Gassperreigenschaft und Elektronenleitfähigkeit aufgebaut. Die Separatoren 300, 400 sind jeweils aus einem Metallelement, wie etwa gepresstem Titan oder Edelstahl, gebildet.
Die Separatoren 300, 400 sind mit Durchgangslöchern 321, 322, 331, 332, 341, 342, 421, 422, 431, 432, 441, 442 gebildet, welche jeweils einen Teil des Verteilers darstellen. Diese Durchgangslöcher 321, 322, 331, 332, 341, 342, 421, 422, 431, 432, 441, 442 entsprechen jeweils den Durchgangslöchern 221, 222, 231, 232, 241, 242 des Harzrahmens 200. Das heißt, die Durchgangslöcher 321, 322, 331, 332, 341, 342, 421, 422, 431, 432, 441, 442, welche in den Separatoren 300, 400 gebildet sind, kommunizieren mit den im Harzrahmen 200 gebildeten Durchgangslöchern 221, 222, 231, 232, 241, 242, die in dem Harzrahmen 200 entlang einer Stapelrichtung des ersten Separators 300, des Harzrahmens 200 und des Separators 400 auf der Anodenseite in der Z-Richtung (nachstehend auch einfach als die „Stapelrichtung“ bezeichnet) gebildet sind, und bilden dadurch die Verteiler M1 bis M6 zum Zuführen des Brenngases, Abführen des Brenngases, Zuführen des Oxidationsgases, Abführen des Oxidationsgases, Zuführen des Kühlmediums und Abführen des Kühlmediums.
Von Oberflächen des ersten Separators 300 ist eine Oberfläche (eine obere Oberfläche in der Zeichnung), die der Membran-Elektroden-Anordnung 210 gegenüberliegt, mit einem Nutenkanal 350ca für das Oxidationsgas gebildet (nachstehend auch als der „erste Nutenkanal 350ca“ bezeichnet). Der erste Nutenkanals 350ca kommuniziert mit den Verteilern M3, M4, führt der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 210 das durch den Verteiler M3 strömende Oxidationsgas zu und veranlasst das abgeführte Oxidationsgas, das durch die Membran-Elektroden-Anordnung 210 geströmt ist, in den Verteiler M4 zu strömen. Von den Oberflächen des ersten Separators 300 ist eine Oberfläche, welche sich gegenüber der Seite befindet, auf der sich die Membran-Elektroden-Anordnung 210 befindet, mit einem Nutenkanal 360ca für das Kühlmedium gebildet (nachstehend auch als der „Kältemittelnutenkanal 360ca“ bezeichnet). Der Kältemittelnutenkanal 360ca kommuniziert mit den Verteilern M5, M6, und durch ihn strömt das Kühlmedium hindurch.
Von beiden Oberflächen des zweiten Separators 400 ist eine Oberfläche, welche der Membran-Elektroden-Anordnung 210 gegenüberliegt, mit einem Nutenkanal 450an für das Brenngas gebildet (nachstehend auch als der „zweite Nutenkanal 450an“ bezeichnet). Der zweite Nutenkanal 450an kommuniziert mit den Verteilern M1, M2, führt das durch den Verteiler M1 hindurchströmende Brenngas der Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 210 zu und veranlasst das abgeführte Brenngas, welches durch die Membran-Elektroden-Anordnung 210 geströmt ist, zu dem Verteiler M2 zu strömen. Von den Oberflächen des zweiten Separators 400 ist die Oberfläche, die sich gegenüber der Seite befindet, auf der sich die Membran-Elektroden-Anordnung 210 befindet, mit einem Nutenkanal 460an für das Kühlmedium gebildet (nachstehend auch als der „Kältemittelnutenkanal 460an“ bezeichnet). Der Kältemittelnutenkanal 460an kommuniziert mit den Verteilern M5, M6, und durch ihn strömt das Kühlmedium hindurch.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine Erhebung und eine Ausnehmung des ersten Nutenkanals 350ca in dem ersten Separator 300 sowie eine Erhebung und eine Ausnehmung des Kältemittelnutenkanals 360ca darin eine Beziehung zweier Seiten der gleichen Medaille eingehen. Das heißt, Nuten des ersten Nutenkanals 350ca entsprechen den Ausnehmungen auf einer Rückseite von Rippen (Erhebungen), von denen jeweils zwei eine Nut des Kältemittelnutenkanals 360ca zwischen sich halten, und Rippen, von denen jeweils zwei die Nut des ersten Nutenkanals 350ca zwischen sich halten, entsprechen Erhebungen auf einer Rückseite der Nuten des Kältemittelnutenkanals 360ca. Mit anderen Worten ist auf einer Oberfläche, welche der Oberfläche auf jener Seite gegenüberliegt, auf welcher der erste Nutenkanal 350ca des ersten Separators 300 vorgesehen ist, ein Scheitel (ein flacher Abschnitt) der Rippe gebildet, und der Scheitel der Rippe liegt einem Grund des ersten Nutenkanals 350ca gegenüber. Analog gehen eine Erhebung und eine Ausnehmung des zweiten Nutenkanals 450an in dem zweiten Separator 400 sowie eine Erhebung und eine Ausnehmung des Kältemittelnutenkanals 460an darin eine Beziehung zweier Seiten der gleichen Medaille ein. Das heißt, Nuten des zweiten Nutenkanals 450an entsprechen den Ausnehmungen auf einer Rückseite von Rippen, von denen jeweils zwei eine Nut des Kältemittelnutenkanals 460an zwischen sich halten, und Rippen, von denen jeweils zwei die Nut des zweiten Nutenkanals 450an zwischen sich halten, entsprechen Erhebungen auf einer Rückseite der Nuten des Kältemittelnutenkanals 460an.
Wenn der flache Abschnitt (der Scheitel) der Rippe des ersten Nutenkanals 350ca die Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 210 berührt, dann wird eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Separator 300 und der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 210 sichergestellt. Wenn darüber hinaus ein flacher Abschnitt (ein Scheitel) der Rippe des Nutenkanals 450an für das Brenngas in dem zweiten Separator 400 die Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 210 berührt, dann wird die elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Separator 400 und der Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 210 sichergestellt. Auf diese Weise sind die Einzelzellen 100 (100a, 100b) konfiguriert, welche eine Struktur aufweisen, in der jeweils die gepaarten Separatoren 300, 400 den Harzrahmen 200, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufnimmt, zwischen sich halten und integriert sind. Ferner berührt der flache Abschnitt der Rippe des Kältemittelnutenkanals 360ca, welcher der Nut des ersten Nutenkanals 350ca in dem ersten Separator 300 der einen benachbarten Einzelzelle 100a entspricht, den flachen Abschnitt der Rippe des Kältemittelnutenkanals 460an, welcher der Nut des zweiten Nutenkanals 450an in dem zweiten Separator 400 der anderen benachbarten Einzelzelle 100b entspricht. Auf diese Weise werden eine elektrische Verbindung und ein struktureller Kontakt der benachbarten Einzelzellen 100a, 100b sichergestellt. Auf diese Weise ist der Brennstoffzellenstapel 10 konfiguriert, in dem die mehreren Einzelzellen 100 gestapelt und integriert sind.
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht, in welcher ein Teil Xca eines zentralen Hauptkanals des ersten Separators 300 in 2 vergrößert ist. In einem Bereich (2) gegenüberliegend zu der Membran-Elektroden-Anordnung 210, die ein Leistungserzeugungsabschnitt ist, ist dieser zentrale Hauptkanal ein in der Mitte des Nutenkanals angeordneter Abschnitt, von dem ein Aufteilabschnitt und ein Sammelabschnitt, welche am Rand angeordnet sind, ausgenommen sind. In dem zentralen Hauptkanal des ersten Separators 300 sind die mehreren ersten geraden Nutenkanäle 350ca, durch welche das Oxidationsgas (die Luft) strömt, parallel entlang der Y-Richtung (einer ersten, in der Ebene liegenden Richtung) (die erste, in der Ebene liegende Richtung ist eine zu dem ersten Nutenkanal 350ca senkrechte Richtung) angeordnet. Jeder der ersten Nutenkanäle 350ca erstreckt sich linear entlang der X-Richtung. Ein Anordnungsteilungsabstand P1 der mehreren ersten Nutenkanäle 350ca wird durch einen Teilungsabstand ausgedrückt, der entlang einer Anordnungsrichtung Y der ersten Nutenkanäle 350ca gemessen wird. Ein Teilungsverhältnis einer Rippe 370ca des Kältemittelnutenkanals 360ca wird auf 20 bis 40% festgelegt. Dieses Teilungsverhältnis ist ein Verhältnis der Breite D1 des ersten flachen Abschnitts der Rippe 370ca zum Teilungsabstand P1 (D1/P1). Es sei darauf hingewiesen, dass eine ungleichmäßige Form eines Querschnitts des ersten Nutenkanals 350ca entlang der Y-Richtung als eine „erste ungleichmäßige Form“ gelten kann.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht, in der ein Teil Xan eines zentralen Hauptkanals des zweiten Separators 400 in 2 vergrößert ist. Der zentrale Hauptkanal des zweiten Separators 400 ist ein Teil, der dem zentralen Hauptkanal des ersten Separators 300 gegenüberliegt, und der Teil Xan repräsentiert einen Teil, der dem Teil Xca des benachbarten ersten Separators 300 gegenüberliegt. In dem zentralen Hauptkanal des zweiten Separators 400 sind die mehreren zweiten gewellten Nutenkanäle 450an, durch welche das Brenngas (das Wasserstoffgas) strömt, parallel entlang der Y-Richtung (der ersten, in der Ebene liegenden Richtung) vorgesehen. Eine Mitte der durch jeden der zweiten Nutenkanäle 450an definierten gewellten Form ist parallel zur X-Richtung, das heißt, parallel zu einer Kanalrichtung des ersten geraden Nutenkanals 350ca (3). Analog zum Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca wird ein Anordnungsteilungsabstand P2 der mehreren zweiten Nutenkanäle 450an durch einen Teilungsabstand ausgedrückt, der entlang der Y-Richtung gemessen wird. Ein Teilungsverhältnis einer Rippe 470an des Kältemittelnutenkanals 460an wird auch auf 20 bis 40% festgelegt. Dieses Teilungsverhältnis ist ein Verhältnis der Breite D2 eines flachen Abschnitts der Rippe 470an zum Teilungsabstand P2. Eine Amplitude der zweiten Nutenkanäle 450an, das heißt, eine Amplitude Aw der gewellten Rippen 470an auf der Seite des Kältemittelnutenkanals 460an, ist eine Amplitude der durch die Mitte der Breite der Rippen 470an definierten gewellten Form und ist ein Wert, der der Y-Richtung folgt. Es sei darauf hingewiesen, dass eine ungleichmäßige Form eines Querschnitts des zweiten Nutenkanals 450an entlang der Y-Richtung als eine „zweite ungleichmäßige Form“ gelten kann.
Der erste Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca wird so festgelegt, dass er einen von dem zweiten Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an verschiedenen Wert aufweist. In dieser Ausführungsform gilt (P2/P1) = 9/8. Wie nachstehend beschrieben wird, erfüllen diese Teilungsabstände P1, P2 vorzugsweise eine Beziehung 1 < (P1/P2) < 3/2 oder 1 < (P2/P1) < 3/2. Darüber hinaus wird die Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals 450an auf einen solchen Betrag festgelegt, dass dieser die Rippe 370ca auf der Rückseite der mehreren (drei in diesem Beispiel) ersten Nutenkanäle 350ca überlappt. Es sei darauf hingewiesen, dass nachstehend der erste Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca, der zweite Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an und die Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals 450an näher beschrieben werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass zur Erläuterung einer Relation zwischen dem ersten Separator 300 und dem zweiten Separator 400, welche zueinander benachbart sind, die Rippe 370ca auf der Rückseite des ersten Nutenkanals 350ca nachstehend auch als die „erste Erhebung 370ca“ bezeichnet wird und die Rippe 470an auf der Rückseite des zweiten Nutenkanals 450an nachstehend auch als die „zweite Erhebung 470an“ bezeichnet wird.
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, in der Teile der zentralen Hauptkanäle des ersten Separators 300 und des zweiten Separators 400 in zueinander benachbarten Zuständen vergrößert sind. In dem ersten Separator 300 der einen Einzelzelle 100a und dem zweiten Separator 400 der anderen Einzelzelle 100b, welche zueinander benachbart sind, steht die erste Erhebung 370ca des ersten Separators 300 mit der zweiten Erhebung 470an des zweiten Separators 400 in Berührung. Die eine zweite Erhebung 470an steht mit den mehreren (drei in diesem Beispiel) ersten Erhebungen 370ca in Berührung. Es sei darauf hingewiesen, dass schraffierte Teile in 5 Kontaktteile CP darstellen.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, in der die drei Einzelzellen 100a, 100b, 100c der mehreren Einzelzellen 100, welche den Brennstoffzellenstapel 10 darstellen, vergrößert sind, wobei die drei Einzelzellen 100a, 100b, 100c zueinander benachbart sind. 6 entspricht einem VI-VI-Querschnitt in 5. 6 zeigt eine Situation, in der die Einzelzelle 100a und die Einzelzelle 100b in einem Zustand ohne Fehlausrichtung zueinander benachbart sind, und zeigt eine Situation, in der die Einzelzelle 100c in einem in einer negativen Y-Richtung fehlausgerichteten Zustand zu der Einzelzelle 100b benachbart ist. Die negative Y-Richtung bedeutet eine zu der Y-Richtung in 6 entgegengesetzte Richtung. Ein Fehlausrichtungsbetrag dy der beiden Einzelzellen 100b, 100c beträgt 1/2 des ersten Teilungsabstands P1 des ersten Nutenkanals 350ca des ersten Separators 300.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, in der drei Einzelzellen 100ar, 100br, 100cr aus mehreren Einzelzellen, welche einen Brennstoffzellenstapel darstellen, als ein Vergleichsbeispiel vergrößert sind, wobei die drei Einzelzellen 100ar, 100br, 100cr zueinander benachbart sind. 7 ist eine 6 entsprechende Ansicht, die eine Situation zeigt, in der die Einzelzelle 100ar und die Einzelzelle 100br in Zuständen ohne Fehlausrichtung zueinander benachbart sind, und eine Situation zeigt, in der die Einzelzelle 100cr in einem in der negativen Y-Richtung fehlausgerichteten Zustand zu der Einzelzelle 100br benachbart ist. Analog zu der Einzelzelle 100c in 6 beträgt der Fehlausrichtungsbetrag dy der beiden Einzelzellen 100br, 100cr 1/2 des ersten Teilungsabstands P1 des ersten Nutenkanals 350ca des ersten Separators 300.
In den Einzelzellen 100ar, 100br, 100cr des Vergleichsbeispiels sind der zweite gewellte Nutenkanal 450an und der gewellte Kältemittelnutenkanal 460an des zweiten Separators 400 (4) in den Einzelzellen 100 der Ausführungsform durch einen zweiten Nutenkanal 450anr und einen Kältemittelnutenkanal 460anr ersetzt, welche analog zu dem ersten Nutenkanal 350ca und dem Kältemittelnutenkanal 360ca des ersten Separators 300 (3) gerade sind. Der zweite Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450anr ist gleich dem ersten Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca festgelegt.
Wie in 7 gezeigt, ist die Einzelzelle 100cr in der negativen Y-Richtung um den Fehlausrichtungsbetrag dy (P1/2) fehlausgerichtet. Demgemäß ist eine zweite Erhebung 470anr eines zweiten Separators 400r der Einzelzelle 100cr so positioniert, dass sie dem Kältemittelnutenkanal 360ca der Einzelzelle 100br gegenüberliegt. Somit werden die erste Erhebung 370ca des ersten Separators 300 und die zweite Erhebung 470anr des zweiten Separators 400r, welche einander berühren sollten, in Nichtberührungszustände versetzt. Folglich wird die zweite Erhebung 470anr in einen mit dem Kältemittelnutenkanal 360ca zusammengepassten Zustand versetzt, was zu einem Problem derart führt, dass Strukturen des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzellen (der Einzelzellen) instabil werden. Darüber hinaus wird in den Einzelzellen 100br, 100cr eine Differenz zwischen der Verteilung einer Last, welche von dem ersten Separator 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung einer Last, welche von dem zweiten Separator 400r auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, erhöht, eine Ungleichmäßigkeit der auf Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebrachten Lasten wird auf eine der Oberflächen vergrößert, und die Membran-Elektroden-Anordnung 210 wird möglicherweise beschädigt.
Hingegen ist in der Ausführungsform wie in 6 gezeigt der zweite Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an des zweiten Separators 400 von dem ersten Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca des ersten Separators 300 verschieden, wie oben beschrieben, und weder P1/P2 noch P2/P1 besitzt einen ganzzahligen Wert. Demgemäß, wie in 6 gezeigt, sind bei den Einzelzellen 100a, 100b die zweiten Erhebungen 470an des zweiten Separators 400 in der Einzelzelle 100b in Bezug auf die ersten Erhebungen 370ca des ersten Separators 300 in der Einzelzelle 100a versetzt, und Positionen, an denen die zweiten Erhebungen 470an jeweils die ersten Erhebungen 370ca berühren, ändern sich. Somit können in der Einzelzelle 100c die zweiten Erhebungen 470an des zweiten Separators 400 in der Einzelzelle 100c jeweils die ersten Erhebungen 370ca des ersten Separators 300 in der Einzelzelle 100b berühren, selbst wenn die zweiten Erhebungen 470an um den Fehlausrichtungsbetrag dy (P1/2) in der negativen Y-Richtung versetzt sind. Darüber hinaus kann in den Einzelzellen 100b, 100c die Differenz zwischen der Verteilung der Last, die von dem ersten Separator 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, die von dem zweiten Separator 400 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, unterbunden werden, die Ungleichmäßigkeit der auf eine der Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebrachten Lasten kann unterbunden werden, und somit kann die Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung 210 unterbunden werden.
Ferner, wie in 4 und 5 gezeigt, ist der zweite Nutenkanal 450an des zweiten Separators 400 als der gewellte Nutenkanal mit der Amplitude Aw eines solchen Betrags konfiguriert, dass die zweite Erhebung 470an die mehreren (drei in diesem Beispiel) ersten Erhebungen 370ca in Bezug auf den ersten geraden Nutenkanal 350ca des ersten Separators 300 überlappt. Auch kann bei einer solchen Konfiguration die Stabilität einer Kontaktstruktur der benachbarten Separatoren verbessert werden, und somit kann die Stabilität einer Struktur des Brennstoffzellenstapels verbessert werden.
8 ist eine schematische Ansicht von Teilen der ersten geraden Erhebungen 370ca des ersten Separators 300 und Teilen der zweiten gewellten Erhebungen 470an eines zweiten Separators 400t, welche zueinander benachbart sind, in einem anderen Vergleichsbeispiel. 8 zeigt einen Zustand, in dem der zweite Teilungsabstand P2 der zweiten Erhebung 470an (des zweiten Nutenkanals 450an) gleich dem ersten Teilungsabstand P1 der ersten Erhebung 370ca (des ersten Nutenkanals 350ca) ist. In 8 sind zur Vereinfachung der Darstellung und der Beschreibung Neigungen der Nuten und der Rippen nicht gezeigt, Teile, die den flachen Abschnitten der ersten Erhebung 370ca entsprechen, sind jeweils schräg nach rechts oben schraffiert und Teile, die den flachen Abschnitten der zweiten Erhebungen 470an entsprechen, sind jeweils schräg nach rechts unten schraffiert.
9 ist eine Ansicht, welche die Kontaktteile CP zwischen den ersten Erhebungen 370ca und den zweiten Erhebungen 470an in dem Fall veranschaulicht, in dem im Vergleichsbeispiel von 8 der Fehlausrichtungsbetrag dy der benachbarten Einzelzellen 0 beträgt. 10 ist eine Ansicht, welche die Kontaktteile CP zwischen den ersten Erhebungen 370ca und den zweiten Erhebungen 470an in dem Fall veranschaulicht, in dem im Vergleichsbeispiel von 8 der Fehlausrichtungsbetrag dy (P1/2) beträgt. Im Hinblick auf den Fehlausrichtungsbetrag dy sei darauf hingewiesen, dass die Fehlausrichtung in der negativen Y-Richtung als jene in einer positiven Richtung angegeben ist.
In den Fällen, in denen der zweite Teilungsabstand P2 der zweiten Erhebung 470an (des zweiten Nutenkanals 450an) den gleichen Zustand aufweist wie der erste Teilungsabstand P1 der ersten Erhebung 370ca (des ersten Nutenkanals 350ca) (8) und die Fehlausrichtung des Stapels in der Y-Richtung auftritt, werden die ersten Erhebungen 370ca und die zweiten Erhebungen 470an nie in einen vollständigen Nichtberührungszustand versetzt, anders als im Fall der in 7 gezeigten geraden Nutenkanäle. Wie jedoch aus einem Vergleich zwischen 9 und 10 hervorgeht, ändert sich der Zustand (die Position, die Form, eine Fläche und dergleichen) des Kontaktteils CP signifikant in Übereinstimmung mit seiner Position in der X-Richtung, was zu einer Veränderung der Verteilung der Last in den Oberflächen der benachbarten Separatoren in Übereinstimmung mit dieser Veränderung führt. Demgemäß tritt eine Differenz zwischen der Verteilung der Last zwischen den Einzelzellen ohne Fehlausrichtung und der Verteilung der Last zwischen den fehlausgerichteten Einzelzellen auf, und die Struktur des Brennstoffzellenstapels wird möglicherweise instabil. Darüber hinaus wird bei den fehlausgerichteten Einzelzellen aufgrund der Differenz zwischen der Verteilung der Last, die vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, die vonseiten des anderen Separators 400t auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, möglicherweise die Struktur der Einzelzelle instabil. Ferner wird aufgrund der Differenz zwischen der Verteilung der Last, die vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, die vonseiten des anderen Separators 400t auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, die Last, welche ungleichmäßig auf eine der Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, erhöht, und die Membran-Elektroden-Anordnung 210 wird möglicherweise beschädigt.
11 ist eine schematische Ansicht von Teilen der ersten geraden Erhebungen 370ca des ersten Separators 300 und der zweiten gewellten Erhebungen 470an des zweiten Separators 400, welche zueinander benachbart sind, als einer Ausführungsform. 11 entspricht 8. Wie oben beschrieben, zeigt 11 einen Zustand, in dem der zweite Teilungsabstand P2 der zweiten Erhebung 470an (des zweiten Nutenkanals 450an) größer ist als der erste Teilungsabstand P1 der ersten Erhebung 370ca (des ersten Nutenkanals 350ca) und (P2/P1) = 9/8 gilt.
12 ist eine Ansicht, welche die Kontaktteile CP zwischen den ersten Erhebungen 370ca und den zweiten Erhebungen 470an in dem Fall veranschaulicht, in dem in der Ausführungsform von 11 der Fehlausrichtungsbetrag dy der benachbarten Einzelzellen 0 beträgt. 13 ist eine Ansicht, welche die Kontaktteile CP der ersten Erhebungen 370ca und der zweiten Erhebungen 470an in dem Fall veranschaulicht, in dem in der Ausführungsform von 11 der Fehlausrichtungsbetrag dy (P1/4) beträgt. 14 ist eine Ansicht, welche die Kontaktteile CP der ersten Erhebungen 370ca und der zweiten Erhebungen 470an in dem Fall veranschaulicht, in dem in der Ausführungsform von 11 der Fehlausrichtungsbetrag dy (P1/2) beträgt.
In dem Zustand (P2/P 1) = 9/8 (11) ändern sich, wie in 12 gezeigt, die Zustände der Kontaktteile CP in einer Ebene entlang einer XY-Ebene, in der die Separatoren einander berühren, allmählich entlang der Y-Richtung an Positionen in der X-Richtung in Übereinstimmung mit der durch (P2/P1) bestimmten Teilungsabstandsdifferenz. In diesem Beispiel wiederholt sich ein Änderungsmuster mit jedem Teilungsabstandsintervall (9 · P1) der ersten Erhebung 370ca (des ersten Nutenkanals 350ca). Wie in 13 und 14 gezeigt, ändern sich, trotz Unterschieden in der Form und Position in der Y-Richtung der Kontaktteile CP, selbst dann, wenn der Stapel in der Y-Richtüng fehlausgerichtet ist, die Zustände dieser Kontaktteile CP auf ähnliche Weise und allmählich entlang der Y-Richtung in Übereinstimmung mit der durch (P2/P1) bestimmten Teilungsabstandsdifferenz, und das Änderungsmuster wiederholt sich mit jedem Teilungsabstandsintervall (9 · P1). Demgemäß kann im Fall der Ausführungsform die Differenz zwischen der Verteilung der Last zwischen den Einzelzellen ohne Fehlausrichtung und der Verteilung der Last zwischen den fehlausgerichteten Einzelzellen unterbunden werden, und es kann verhindert werden, dass die Struktur des Brennstoffzellenstapels instabil wird. Darüber hinaus kann bei den fehlausgerichteten Einzelzellen verhindert werden, dass die Struktur der Einzelzelle aufgrund der Differenz zwischen der Verteilung der Last, welche vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, welche vonseiten des anderen Separators 400 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, instabil wird. Ferner kann die Last unterbunden werden, die aufgrund der Differenz zwischen der Verteilung der Last, welche vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, welche vonseiten des anderen Separators 400 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, ungleichmäßig auf eine der Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und somit kann die Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung 210 unterbunden werden.
Die Fehlausrichtung des Stapels der Einzelzellen wurde oben beschrieben. Wenn jedoch eine Fehlausrichtung der gepaarten Separatoren, welche die Einzelzelle bilden, auftritt, dann kann die Ungleichmäßigkeit der auf eine der Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung aufgebrachten Lasten, welche durch die Differenz zwischen der Verteilung der Last, die vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, die vonseiten des anderen Separators 400 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, bewirkt wird, analog unterbunden werden. Somit kann die Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung 210 unterbunden werden.
Die obige Ausführungsform wurde anhand von (P2/P1) = 9/8 beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Der erste Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca und der zweite Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an können voneinander verschiedene Werte aufweisen, und es kann weder der Wert von P1/P2 noch der Wert von P2/P1 den ganzzahligen Wert aufweisen. Ferner ist vorzugsweise 1 < (P1/P2) < 3/2 oder 1 < (P2/P1) < 3/2 erfüllt. Auf diese Weise können sich ungeachtet des Vorliegens oder Nichtvorliegens der Fehlausrichtung des Stapels die Zustände der Kontaktteile CP in der Ebene entlang der XY-Ebene der benachbarten Separatoren 300, 400 an jeder der Positionen in der X-Richtung in Übereinstimmung mit der durch (P2/P1) oder (P1/P2) bestimmten Teilungsabstandsdifferenz allmählich entlang der Y-Richtung ändern. Demgemäß kann die Differenz zwischen der Verteilung der Last zwischen den Einzelzellen ohne Fehlausrichtung und der Verteilung der Last zwischen den fehlausgerichteten Einzelzellen unterbunden werden, und es kann verhindert werden, dass die Struktur des Brennstoffzellenstapels instabil wird. Darüber hinaus kann bei den fehlausgerichteten Einzelzellen verhindert werden, dass die Struktur der Einzelzelle aufgrund der Differenz zwischen der Verteilung der Last, welche vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, welche vonseiten des anderen Separators 400 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, instabil wird. Ferner kann die Last verhindert werden, die aufgrund der Differenz zwischen der Verteilung, welche vonseiten des einen Separators 300, der die Membran-Elektroden-Anordnung 210 hält, auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und der Verteilung der Last, welche vonseiten des anderen Separators 400 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, ungleichmäßig auf eine der Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 210 aufgebracht wird, und somit kann die Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung 210 unterbunden werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein Grund dafür, warum weder der Wert von P1/P2 noch der Wert von P2/P1 den ganzzahligen Wert aufweist, darin besteht, einen Zustand weitestgehend zu vermeiden, in dem der erste Nutenkanal 350ca mit dem zweiten Nutenkanal 450an in einer Anordnungsrichtung (der Y-Richtung) übereinstimmt. Darüber hinaus wird, wenn (P1/P2) < 3/2 oder (P2/P1) < 3/2 festgelegt ist, der Fehlausrichtungsbetrag jedes Paars der Kontaktflächen der Separatoren in einer Fehlausrichtungsrichtung verringert, und der Zustand, in dem der erste Nutenkanal 350ca mit dem zweiten Nutenkanal 450an in der Anordnungsrichtung (der Y-Richtung) übereinstimmt, wird ferner effizient vermieden.
Hier enthält die als das Oxidationsgas zugeführte Luft lediglich 20% Sauerstoff, der tatsächlich für die elektrochemische Reaktion zum Erzeugen der Leistung verwendet wird, und eine ausreichende Zuführmenge der Luft als das Oxidationsgas muss sichergestellt werden, um eine Leistungserzeugungsfähigkeit sicherzustellen. Darüber hinaus ist das zugeführte Brenngas normalerweise das Wasserstoffgas, das für die elektrochemische Reaktion verwendet wird. Und eine Zuführeffizienz des Wasserstoffgases durch den zweiten Nutenkanal 450an ist höher als eine Zuführeffizienz des Oxidationsgases durch diesen. Demgemäß ist es erwünscht, den ersten Nutenkanal 350ca als den geraden Nutenkanal zu konfigurieren und eine Verringerung des Druckverlusts des Oxidationsgases in dem ersten Nutenkanal 350ca zu priorisieren, um die ausreichende Zuführmenge des Oxidationsgases sicherzustellen. Ferner ist es erwünscht, den zweiten Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an im Hinblick auf den ersten Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca zu ändern, der aus einer Gestaltungsperspektive ein Bezugspunkt ist. Zudem wird im Vergleich zu einem Fall, in dem der zweite Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an verringert wird, die Fertigung des zweiten Separator 400 durch Erhöhen des zweiten Teilungsabstands P2 des zweiten Nutenkanals 450an vereinfacht, wenn man die Fertigungsgenauigkeit hiervon berücksichtigt. Somit ist es tatsächlich erwünscht, den zweiten Teilungsabstand P2 des zweiten Nutenkanals 450an zu erhöhen, wobei der erste Teilungsabstand P1 des ersten Nutenkanals 350ca der Bezugspunkt ist.
In der obigen Ausführungsform wird die Amplitude Aw (4) des zweiten Nutenkanals 450an auf einen solchen Betrag festgelegt, dass die Rippe 470an (die zweite Erhebung 470an) auf der Rückseite des zweiten Nutenkanals 450an die Rippen 370ca (die ersten Erhebungen 370ca) auf der Rückseite der mehreren (drei in diesem Beispiel) ersten Nutenkanäle 350ca überlappt. Diese Amplitude Aw wird vorzugsweise festgelegt wie folgt.
In den Fällen, in denen die Amplitude Aw verringert ist und die Anzahl der zweiten Erhebungen 470an (11), welche die ersten Erhebungen 370ca überlappen, verringert ist, ist die Anzahl der ersten Erhebungen 370ca, welche die zweiten Erhebungen 470an berühren, verringert. Demgemäß wird die Stabilität der Kontaktstruktur der benachbarten Separatoren herabgesetzt, und die Stabilität der Struktur des Brennstoffzellenstapels wird herabgesetzt. Dagegen wird in den Fällen, in denen die Amplitude Aw erhöht ist und die Anzahl der zweiten Erhebungen 470an, welche die ersten Erhebungen 370ca überlappen, erhöht ist, die Anzahl der ersten Erhebungen 370ca, welche die zweiten Erhebungen 470an berühren, erhöht. Demgemäß wird die Stabilität der Kontaktstruktur der benachbarten Separatoren verbessert, und die Stabilität der Struktur des Brennstoffzellenstapels wird verbessert. Jedoch verläuft in diesem Fall jeder der Nutenkanäle in signifikantem Maße mäanderartig und seine Kanallänge ist erhöht. Infolgedessen ist ein Druckverlust des Brenngases in dem zweiten Nutenkanal 450an erhöht, und die Zuführeffizienz des Brenngases wird herabgesetzt. Demgemäß wird die Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals 450an vorzugsweise auf einen solchen Betrag festgelegt, dass sowohl die Stabilität der Kontaktstruktur realisiert als auch der Druckverlust unterbunden werden kann, und die zweite Erhebung 470an wird vorzugsweise in einer solchen Größe festgelegt, dass sie die drei oder vier ersten Erhebungen 370ca überlappt. Konkret wird die Amplitude Aw vorzugsweise wie folgt festgelegt.
15 ist eine Ansicht, welche eine Untergrenze der Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals 450an veranschaulicht. 16 ist eine Ansicht, welche eine Obergrenze der Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals 450an veranschaulicht. Der Teilungsabstand des zweiten Nutenkanals 450an (der zweiten Erhebung 470an) wird als P2 festgelegt, und die Breite des flachen Abschnitts der zweiten Erhebung 470an wird als D2 festgelegt. Der Teilungsabstand des ersten Nutenkanals 350ca (der ersten Erhebung 370ca) wird als P1 festgelegt, und die Breite des flachen Abschnitts der ersten Erhebung 370ca wird als D1 festgelegt. Als die Amplitude des zweiten Nutenkanals 450an wird eine Amplitude in Form einer unterbrochenen Linie in einer Mitte CL der Breite der zweiten Erhebung 470an als Aw festgelegt.
Wie in 15 gezeigt, muss die folgende Gleichung (2) erfüllt sein, damit die zweite gewellte Erhebung 470an die drei oder mehr ersten geraden Erhebungen 370ca überlappt. $(D 2 / 2) + Aw + (D2 / 2) > (2 \cdot P 1) - D 1$
Dann wird durch Modifizieren der obigen Gleichung (2) die Untergrenze der Amplitude Aw so festgelegt wie durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt. $Aw > (2 \cdot P 1) - (D 1 + D 2)$
Wie in 16 gezeigt, muss die folgende Gleichung (4) erfüllt sein, damit die zweite gewellte Erhebung 470an die weniger als fünf (vier oder weniger) ersten geraden Erhebungen 370ca überlappt. $(D 2 / 2) + Aw + (D 2 / 2) < (4 \cdot P 1) - D 1$
Dann wird durch Modifizieren der obigen Gleichung (4) die Obergrenze der Amplitude Aw so festgelegt wie durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt. $Aw < (4 \cdot P 1) - (D 1 + D 2)$
Wenn die Amplitude Aw des zweiten Nutenkanals 450an (der zweiten Erhebung 470an) so festgelegt ist, dass die obige Gleichung (3) und die obige Gleichung (5) erfüllt sind, dann kann die zweite Erhebung 470an die drei oder vier ersten Erhebungen 370ca überlappen. Auf diese Weise wird der Druckverlust des Brenngases in dem zweiten Nutenkanal 450an geeignet festgelegt, und die Anzahl der Kontaktteile CP zwischen den zweiten Erhebungen 470an und den ersten Erhebungen 370ca wird geeignet festgelegt. Auf diese Weise kann die Kontaktstruktur der benachbarten Separatoren stabilisiert werden, und die Struktur des Brennstoffzellenstapels kann stabilisiert werden.
B. Modifizierte Beispiele: Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die obigen Beispiele und die obigen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern in verschiedenen Aspekten innerhalb des Schutzumfangs implementiert werden kann, ohne von ihrem Kern abzuweichen, und beispielsweise sind die folgenden Modifikationen möglich.

(1) In der obigen Ausführungsform wurde der Fall beschrieben, in dem die benachbarten Einzelzellen 100 in der Y-Richtung (der ersten, in der Ebene liegenden Richtung) in der Ebene entlang der XY-Ebene, in der die benachbarten Einzelzellen 100 einander berühren, fehlausgerichtet sind. Jedoch ist eine ähnliche Wirkung in dem Fall erhältlich, in dem die benachbarten Einzelzellen 100 in der X-Richtung fehlausgerichtet sind, und dem Fall, in dem die benachbarten Einzelzellen 100 in der X-Richtung und der Y-Richtung fehlausgerichtet sind.
(2) In Bezug auf den zentralen Hauptkanal (3) wurde beschrieben, dass die ersten geraden Nutenkanäle 350ca des ersten Separators 300 in der obigen Ausführungsform die geraden Nutenkanäle sind, die jeweils zwischen den Rippen gehalten werden. Jedoch können einige der ersten Nutenkanäle jeweils einen gebogenen Abschnitt oder einen Drosselabschnitt aufweisen. Darüber hinaus wurden in der obigen Ausführungsform beispielhaft die Strukturen der Nutenkanäle in den zentralen Hauptkanälen (2, 3 und 4) der benachbarten Separatoren 300, 400 beschrieben. Jedoch ist die Struktur des Nutenkanals, der in der Ausführungsform beschrieben wurde, auf irgendeinen Teil der Ebene anwendbar, in der die Kanäle der Separatoren 300, 400 gebildet sind.
(3) In der obigen Ausführungsform wurde beispielhaft der Fall beschrieben, in dem die ersten Nutenkanäle 350ca des Separators 300 auf der Kathodenseite die geraden Nutenkanäle sind (3) und die zweiten Nutenkanäle 450an des Separators 400 auf der Anodenseite die gewellten Nutenkanäle sind (4). Jedoch können die Nutenkanäle des Separators 300 auf der Kathodenseite die gewellten Nutenkanäle sein, und die Nutenkanäle des Separators 400 auf der Anodenseite können die geraden Nutenkanäle sein. Darüber hinaus können sowohl die Nutenkanäle des Separators 300 auf der Kathodenseite als auch des Separators 400 auf der Anodenseite die gewellten Nutenkanäle sein.
(4) In der obigen Ausführungsform wurden beispielhaft die Separatoren 300, 400 (3 und 4) beschrieben, welche die ungleichmäßigen Formen aufweisen, bei denen die Rippen (die Erhebungen), von denen jeweils zwei den Kältemittelnutenkanal halten, auf der Rückseite der Nuten der Nutenkanäle für das Reaktionsgas vorgesehen sind, und welche die Beziehung von zwei Seiten der gleichen Medaille eingehen. Jedoch ist die in der Ausführungsform beschriebene Struktur der Nutenkanäle beispielsweise auch auf einen Fall anwendbar, in dem die Separatoren nicht die Beziehung von zwei Seiten der gleichen Medaille eingehen und die eigenständigen Nutenkanäle jeweils auf der Reaktionsgasseite und der Kühlmediumseite gebildet sind, wie bei den Separatoren, die jeweils unter Verwendung eines Kohlenstoffelements wie etwa dichtem Kohlenstoff geformt werden, der durch Komprimieren der Kohlenstoffpartikel, um diese gasundurchlässig zu machen, gebildet ist.

Claims

Einzelzelle einer Brennstoffzelle zum Bilden eines Stapels, wobei die Einzelzelle umfasst: eine Membran-Elektroden-Anordnung (210); und einen ersten Separator (300) und einen zweiten Separator (400), welche die Membran-Elektroden-Anordnung (210) zwischen sich halten, wobei der erste Separator (300) mehrere erste Nutenkanäle (350ca) aufweist, die gerade oder gewellt sind und parallel zueinander in einer ersten, in der Ebene liegenden Richtung angeordnet sind, ein Querschnitt entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung jedes der mehreren ersten Nutenkanäle (350ca) eine erste ungleichmäßige Form aufweist, die erste ungleichmäßige Form einen ersten Teilungsabstand P1 entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung aufweist, der zweite Separator (400) mehrere zweite Nutenkanäle (450an) aufweist, die gewellt sind und entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung angeordnet sind, ein Querschnitt entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung jedes der mehreren zweiten Nutenkanäle (450an) eine zweite ungleichmäßige Form aufweist, die zweite ungleichmäßige Form einen zweiten Teilungsabstand P2 entlang der ersten, in der Ebene liegenden Richtung aufweist, der erste Teilungsabstand P1 und der zweite Teilungsabstand P2 voneinander verschieden sind und weder ein Wert von P1/P2 noch ein Wert von P2/P1 eine ganze Zahl ist, und der erste Teilungsabstand P1 und der zweite Teilungsabstand P2 1 < P1/P2 < 3/2 oder 1 < P2/P1 < 3/2 erfüllen.
Einzelzelle der Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten Nutenkanäle (350ca) und die mehreren zweiten Nutenkanäle (450an) in einem der Membran-Elektroden-Anordnung (210) gegenüberliegenden Bereich gebildet sind.
Einzelzelle der Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der mehreren ersten Nutenkanäle (350ca) ein gerader Nutenkanal ist.
Einzelzelle der Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei in einem Fall, in dem die Breite eines flachen Abschnitts einer ersten Erhebung auf einer Rückseite des ersten Nutenkanals (350ca) als D1 festgelegt ist, eine Amplitude einer gewellten Form einer zweiten Erhebung auf einer Rückseite des zweiten Nutenkanals (450an) als Aw festgelegt ist und die Breite eines flachen Abschnitts der zweiten Erhebung als D2 festgelegt ist, die Amplitude Aw so festgelegt ist, dass eine durch eine nachstehende Gleichung (1) ausgedrückte Relation erfüllt ist. $2 \cdot P 1 - (D 1 + D 2) < Aw < 4 \cdot P 1 - (D 1 + D 2)$
Einzelzelle der Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Nutenkanal (350ca) des ersten Separators (300) ein Kanal ist, der zum Zuführen von Oxidationsgas zu einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung (210) dient, und der zweite Nutenkanal (450an) des zweiten Separators (400) ein Kanal ist, der zum Zuführen von Brenngas zu einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung (210) dient.
Einzelzelle der Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste, in der Ebene liegende Richtung eine zu dem ersten Nutenkanal (350ca) senkrechte Richtung ist.