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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, das durch
lageweises Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgebildet
wird.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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In
einer Brennstoffzelle besteht eine Einheitszelle aus einer Brennstoffzelle,
die eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Elektrolytschicht
aus einer Festpolymer-Membran oder dergleichen, Diffusionsschichten
aus Kohlefasertuch oder Kohlepapier oder dergleichen, zwischen denen die
Elektrolytschicht angeordnet ist, und Separatoren, zwischen denen
die Membran/Elektroden-Anordnung angeordnet ist, einschließt. In solch
einer Einheits-Brennstoffzelle wird Wasserstoffgas, das als Anodengas
dient, zu einer Wasserstoffgasleitungs-Nut eines Separators oder
einer Negativelektrodenseite geliefert, während Luft (Sauerstoffgas), das
als Kathodengas dient, zu einer Sauerstoffgasleitungs-Nut oder einem
Separator auf einer Positivelektrodenseite geliefert wird. Die zugeführten Wasserstoff-
und Sauerstoffgase diffundieren in die jeweiligen Diffusionsschichten
auf der Negativelektrodenseite und der Positivelektrodenseite. Das
Wasserstoffgas, das die Diffusionsschicht der negativen Elektrode
erreicht, berührt
ferner eine Katalysatorschicht, die auf einer Festpolymerelektrolyt-Membran aufgebracht
ist, und dissoziiert in Protonen und Elektronen. Die dissoziierten
Protonen dringen durch die Festpolymer-Membran und wandern zur positiven Elektrode,
um mit dem Sauerstoff an der positiven Elektrode zu reagieren, wodurch Wasser
und Elektrizität
entstehen. Im Allgemeinen werden eine Vielzahl der oben beschriebenen
Einheits-Brennstoffzellen mit einem solchen Leistungserzeugungsmechanismus
verwendet und mit dazwischen angeordneten Separatoren übereinander
gestapelt, um eine Brennstoffzelle als Ganzes als in Reihe geschaltete
Zellmodule oder Zellenstapel zu bilden.
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13 ist
eine Querschnittsdarstellung einer Brennstoffzelle 500 der
einschlägig
verwandten Technik. 12 ist eine Draufsicht auf einen
Separator 20, der in der in 13 dargestellten
Brennstoffzelle 500 gestapelt ist. Die Brennstoffzelle 500 weist eine
Einheits-Brennstoffzelle 40 auf, die eine MEA 30 und
einen ersten Separator 10 und einen zweiten Separator 20,
zwischen denen die MEA 30 angeordnet ist, einschließt. Man
beachte, dass der erste Separator 10 und der zweite Separator 20 mit
einem Klebstoff 22 verklebt sind und dass die MEA 30 zwischen ihnen
angeordnet ist. Der Klebstoff 22 dient auch als Dichtmittel
zum Abdichten gegen ein Fluid (Gas, Kühlmittel), das zu einer Brennstoffzelle
geliefert wird. Die so gebildeten Einheits-Brennstoffzellen 40 werden
weiter mit dem Klebstoff 22 aneinander gefügt, so dass
die Einheits-Brennstoffzellen 40 auf physikalisch feste
Weise aneinander befestigt werden, um ein Zellmodul zu bilden. Das
Zellmodul weist in seinem Inneren ein Verteilerrohr 80 auf,
um Gas oder ein Kühlmittel
hindurchzulassen.
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Der
Separator 20 ist an seiner äußersten Umfangsfläche mit
einem Separator-Außenumfangsvorsprung 75 versehen,
und an einem Abschnitt, der weiter innen davon angeordnet ist, ist
an einer Außenumfangsfläche des
Verteilerrohrs 80 ein Verteilerrohr-Außenumfangsvorsprung 76 vorgesehen, der
dieses umgibt. In einem noch weiter innen gelegenen Abschnitt schließt der Separator
einen inneren Separatorvorsprung 77 ein.
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Der
Separator 20 weist eine nutbildende Vertiefung auf, die
als Klebstoffaufnahmeabschnitt 24 dient, um den Klebstoff
aufzunehmen. Wie in 13 dargestellt, schließt die nutbildende
Vertiefung eine eine Außenumfangsnut
bildende Vertiefung 72 ein, die zwischen Seitenflächenwänden ausgebildet
ist, d.h. dem Separator-Außenumfangsvorsprung 75 und dem
Verteilerrohr-Außenumfangsvorsprung 76 auf der
Außen umfangsseite
des Separators, sowie eine eine Innenumfangsnut bildende Vertiefung 74,
die zwischen Seitenflächenwänden ausgebildet
ist; d.h. dem Verteilerrohr-Innenumfangsvorsprung 76 auf der
Innenumfangsseite des Separators und dem Separator-Innenumfangsvorsprung 77.
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Das
Verfahren zur Verklebung der Brennstoffzellen 40 wird mit
Bezug auf 14 beschrieben. In den ersten
und zweiten Separatoren 10 und 20 ist an gegenüberliegenden
Oberflächen
der Brennstoffzellen in einer Richtung, in der die Schichten aneinandergefügt und gestapelt
werden, eine nutbildende Vertiefung 24 mit einer Seitenfläche 29 vorgesehen,
die rechtwinklig zu einer Bodenfläche 23 angeordnet
ist. Der Klebstoff 22 wird in die rechtwinklige nutbildende
Vertiefung 24 des zweiten Separators 20 eingebracht.
Nach Einbringung des Klebstoffs 22 werden die ersten und
zweiten Separatoren 10 und 20 so angeordnet, dass
die nutbildenden Vertiefungen 24 der ersten und zweiten
Separatoren 10 und 20 einander zugewandt sind,
wodurch der Klebstoff-Aufnahmeabschnitt 24 gebildet wird,
dessen Seitenfläche 29 senkrecht
zur Bodenfläche 23 angeordnet
ist. Dadurch, dass der so gebildete Klebstoff-Aufnahmeabschnitt 24 den
Klebstoff 22 aufnimmt, werden die ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 verklebt,
wodurch ein Modul aus den Brennstoffzellen 40 gebildet
wird.
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Von
den folgenden Dokumenten ist bekannt, dass sie die verklebten Separatoren
offenbaren. Das nachstehend beschriebene Patentdokument 1 (japanische
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-260691) offenbart einen Separator
für Brennstoffzellen,
in dem eine grubenbildende Vertiefung, deren Seitenfläche 29 rechtwinklig
zur Bodenfläche 23 angeordnet
ist, um das Verteilerrohr und eine Kühlwasser-Leitungsnut zwischen
den ersten und zweiten Separatoren herum vorgesehen ist und ein
gasundurchlässiger
Klebstoff in die Grube eingespritzt wird, um die beiden Platten
zu verkleben, wodurch Gaspermeation unterdrückt wird. Das Patentdokument 2 (japanische
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-367631) offenbart eine Dichtstruktur
mit einer Grube für
eine Materialblase zwischen den geklebten Platten. Das nachstehend
beschriebene Patentdokument 3 (japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2000-48832) offenbart einen Brennstoffzellen-Separator mit einem
Vorsprung zur Verhinderung des Überstehens
des Kleb stoffs. Das Patentdokument 4 (japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2001-319666) und das Patentdokument 5 (japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2001-319676), nachstehend beschrieben, offenbaren einen Separator,
der durch eine flüssige
Dichtung, die in eine Nut eingebracht wird, welche so vorgesehen
ist, dass sie eine Verbindungsöffnung
umgibt, abgedichtet wird.
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Jedoch
kann die herkömmliche
grubenbildende Vertiefung, deren Seitenfläche 29 rechtwinklig zur
Bodenfläche 23 angeordnet
ist, zulassen, dass ein Gas, wie Luft, in einen Grenzbereich zwischen der
Oberfläche
der Grube und dem Klebstoff (dem Dichtmaterial) gerät, wenn
die Separatoren zusammengebaut und verklebt werden, wodurch es dem Klebstoff
möglicherweise
nicht gelingt, die vertiefte Grube vollständig zu füllen, was eine Lücke entstehen
lässt.
Eine solche Lücke
kann zu einer ungenügenden
Haftung zwischen den Separatoren führen.
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Nun
wird der Grund erörtert,
warum ein Gas während
des Schritts des Klebens der Separatoren eingeführt wird. Der Klebstoff 22 wird
in die grubenbildende Vertiefung im zweiten Separator 20 eingebracht,
deren Seitenfläche 29 rechtwinklig
zur Bodenfläche 23 angeordnet
ist. Eine solche Einbringung von Klebstoff 22 kann ein
Gas zwischen der Oberfläche
der grubenbildenden Vertiefung und dem Klebstoff 22 lassen,
und die Einführung
von Gas führt zu
einer Gasblase 28.
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Wenn
in dieser Situation der erste Separator 10 auf den zweiten
Separator 20 gebracht wird, um die beiden zu verkleben
und ein Modul zu bilden (14), werden
die ersten und zweiten Separatoren 10 und 30 verklebt,
wobei die Gasblase 28 in der Vertiefung zurückbleibt
(15). Die Verklebung der Separatoren während die
Gasblase zurückbleibt kann
zu den folgenden Problemen führen,
die von der Gasblase 28 verursacht werden.
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(1)
Wenn ein duroplastischer Klebstoff als Klebstoff 22 verwendet
wird, ist ein Schritt zum Wärmehärten des
Klebstoffs erforderlich. In solch einem Wärmehärtungsschritt wird Wärme nicht
nur zum Klebstoff übertragen,
sondern auch zu der Gasblase 28, die sich aufgrund der
Wärme ausdehnt
(16). Die ausgedehnte Gasblase 28 verschlechtert
die Haftwirkung des Klebstoffs 22 und kann den Klebstoff auch
teilweise aufbrechen und zu einem Austritt von Gas führen. In
einer solchen Situation ist die Haftung zwischen den Separatoren
verschlechtert und Gas tritt durch den Klebstoff (das Dichtmittel),
dessen Funktion herabgesetzt ist, aus.
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(2)
Brennstoffzellen, die eine Festpolymer-Brennstoffzelle einschließen, die
bei relativ niedriger Temperatur arbeitet, werden in der Regel bei
einer Temperatur von 70°C
bis 80°C
betrieben. Bei solchen Temperaturen, die über der normalen Temperatur
liegen, dehnt sich die Gasblase ebenfalls thermisch aus (16).
Diese Ausdehnung der Gasblase 28 kann Probleme verursachen,
die denen unter Punkt (1) ähnlich
sind.
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Der
erste Separator 10 und der zweite Separator 20,
die eine Einheits-Brennstoffzelle bilden, werden mit dem Klebstoff 22 aneinander
befestigt, und die MEA wird zwischen ihnen angeordnet. Die ersten
und zweiten Separatoren weisen verschiedene Stufenabschnitte am
Klebstoffabschnitt auf. Genauer weist die MEA 30 eine dreifache
Schichtstruktur auf, wobei die Diffusionsschicht auf jeder Seite der
Katalysatorschicht ausgebildet ist und nur die Katalysatorschicht
nach außen
verläuft,
wo sie zwischen den ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 angeordnet
und von diesen fixiert wird. Mindestens einer von den ersten und
zweiten Separatoren 10 und 20 bildet einen vertieften
Abschnitt, der dem Abschnitt entspricht, der die Katalysatorschicht
in die Mitte nimmt (siehe das Patentdokument 2). Eine Gasblase
wird auch am Ende des vertieften Abschnitts gebildet; d.h. in einer
Ecke der Bodenfläche und
der Seitenfläche
des gestuften Abschnitts. Ferner wird ein Wasserstoffgas (Brenngas)
oder ein oxidiertes Gas (Luft) in einen Raum zwischen der MEA 30 und
dem ersten Separator 10 oder dem zweiten Separator 20 geliefert.
Daher müssen
ein Kanal für dieses
Gas und der Raum miteinander verbunden werden, und eine Dichtplatte
wird verwendet, um zu verhindern, dass Klebstoff in den Kommunikationskanal
eindringt. Ein gestufter Abschnitt, der dem Ende der Dichtplatte
entspricht, ist in einem der ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 ausgebildet,
und eine Gasblase wird auch an der Ecke der Bodenfläche und
der Seitenfläche
dieses gestuften Abschnitts gebildet.
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Wenn
das Gas in der Gasblase während
des Klebungsschritts erwärmt
wird und sich ausdehnt, kann ein Austrittsweg zwischen einem Innenraum der
Zelle und dem Verteilerrohr, das als Leitung für das Kühlmittel dient, ausgebildet
werden.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Brennstoffzellenmodul
zu schaffen, mit dem die von einer Gasblase erzeugten Probleme gelöst werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellenmodul, das durch
Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgebildet wird und
das folgendes einschließt:
eine Separatorkomponente, welche die Vielzahl von Brennstoffzellen
trennt, eine benachbarte Komponente, die der Separatorkomponente
benachbart in Stapelrichtung der Brennstoffzellen angeordnet wird
und mit Klebstoff am Separator befestigt wird, und eine grubenbildende
Vertiefung zur Aufnahme des Klebstoffs, die in mindestens einer
von der Separatorkomponente und der benachbarten Komponente in einem
Abschnitt vorgesehen ist, wo die Separatorkomponente und die benachbarte
Komponente miteinander verklebt werden, wobei die grubenbildende
Vertiefung in mindestens einem Teil ihres Umfangsrands eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
aufweist, die die Austragung von Gas, das zwischen dem Klebstoff
und einer Oberfläche des
Klebstoff-Aufnahmeabschnitts vorhanden ist, nach außen unterstützt, wenn
die Separatorkomponente und die benachbarte Komponente miteinander verklebt
werden.
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In
dem oben genannten Brennstoffzellenmodul ist eine Seitenfläche der
grubenbildenden Vertiefung vorzugsweise schräg ausgebildet.
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In
dem oben genannten Brennstoffzellenmodul ist die grubenbildende
Vertiefung vorzugsweise konisch.
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In
dem oben genannten Brennstoffzellenmodul ist die Schräge auf der
Seite, wo der Klebstoff aufgenommen wird, vorzugsweise in einem
Winkel von 120° bis
150° in
Bezug auf eine Bodenfläche
vorgesehen.
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Das
oben genannte Brennstoffzellenmodul weist vorzugsweise ferner eine
Entgasungsnut auf, die an der Seitenfläche der grubenbildenden Vertiefung
angeordnet ist, um das Gas nach außen auszutragen.
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In
dem oben genannten Brennstoffzellenmodul enthält der Klebstoff vorzugsweise
eine Klebstoffaustritts-Unterdrückungskomponente
zur Unterdrückung
des Austretens des Klebstoffs nach außen.
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In
den oben genannten Brennstoffzellenmodul handelt es sich bei der
Klebstoffaustritts-Unterdrückungskomponente
um eine runde Kugel, und ein Durchmesser der Kugel ist größer als
ein Durchgangsdurchmesser der Entgasungsnut.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellenmodul, das durch
Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgebildet wird und
das folgendes einschließt:
eine Separatorkomponente, welche die Vielzahl von Brennstoffzellen
trennt, eine benachbarte Komponente, die der Separatorkomponente
benachbart in Stapelrichtung der Brennstoffzellen angeordnet wird
und mit Klebstoff am Separator befestigt wird, und eine grubenbildende
Vertiefung zur Aufnahme des Klebstoffs, die in mindestens einer
von der Separatorkomponente und der benachbarten Komponente in einem
Abschnitt vorgesehen ist, wo die Separatorkomponente und die benachbarte
Komponente miteinander verklebt werden, wobei eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur,
die die Austragung von Gas, das zwischen dem Klebstoff und einer
Oberfläche
des Klebstoff-Aufnahmeabschnitts vorhanden ist, nach außen unterstützt, wenn die
Separatorkomponente und die benachbarte Komponente miteinander verklebt
werden, am gestuften Abschnitt vorgesehen ist.
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Die
oben genannte Entgasungs-Unterstützungsstruktur
schließt
vorzugsweise eine Schräge ein,
die an einem Verbindungsabschnitt zwischen einer Bodenfläche und
einer Seitenfläche
des gestuften Abschnitts vorgesehen ist, um die Bodenfläche und
die Seitenfläche
miteinander zu verbinden. Eine solche Konstruktion kann eine Ecke,
die ansonsten von der Bodenfläche
und der Seitenfläche,
die einander direkt berühren,
ausgebildet würde,
eliminieren.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem gestuften Abschnitt um eine grubenbildende
Vertiefung, und eine Schräge
ist am Verbindungsabschnitt zwischen einer Bodenfläche und
einer Seitenfläche
der vertieften Grube ausgebildet.
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In
dem oben genannten Brennstoffzellenmodul handelt es sich bei der
benachbarten Komponente, die der Separatorkomponente benachbart
in Stapelrichtung der Zellen angeordnet wird, vorzugsweise um einen
Metallseparator.
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Die
vorliegende Erfindung trägt
zu einer besseren Unterdrückung
von Problemen bei, die durch eine Gasblase verursacht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsdarstellung des Brennstoffzellenmoduls gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenseparator gemäß dieser
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
8 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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11 zeigt
eine Entgasungs-Unterstützungsstruktur
gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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12 ist
eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenseparator gemäß der einschlägig verwandten
Technik.
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13 ist
eine Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenmoduls gemäß der einschlägig verwandten
Technik.
-
14 ist
eine Darstellung zur Beschreibung eines Problems, das durch eine
Gasblase verursacht wird.
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15 ist
eine Darstellung zur Beschreibung eines Problems, das durch eine
Gasblase verursacht wird.
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16 ist
eine Darstellung zur Beschreibung eines Problems, das durch eine
Gasblase verursacht wird.
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17 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
18 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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19 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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20 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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21 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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22 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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23 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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24 ist
eine Darstellung einer Struktur zur Verhinderung der Erzeugung einer
Gasblase gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESTE WEISE
ZUR DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Nun
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Man beachte, dass die Ausführungsformen
lediglich Beispiele für
die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung sind und die Erfindung
nicht beschränken.
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[Brennstoffzelle]
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1 offenbart
eine Querschnittsdarstellung einer Brennstoffzelle 100 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Draufsicht
auf einen einzelnen Separator 20, der gestapelt ist, um
die Brennstoffzelle 100 zu bilden. Die Brennstoffzelle 100 weist
eine Struktur der Brennstoffzellen 40 auf, in der eine
MEA 30 zwischen einem ersten Separator 10 und
einem zweiten Separator 20 angeordnet ist. Die Struktur
schließt
mehrere gestapelte Schichten solcher Brennstoffzellen 40 ein. Die
Brennstoffzelle 40 wird aus dem ersten Separator 10 und
dem benachbarten zweiten Separator 20 gebildet, die mit
einem Klebstoff verklebt sind. Die Brennstoffzellen 40 sind
ferner mit einem Klebstoff 22 verklebt, wodurch eine gestapelte
Struktur (ein Zellmodul) gebildet wird. Das Zellmodul (der Stapel) weist
ein Verteilerrohr 80 auf, um ein Gas oder ein Kühlmittel
hindurch zu lassen.
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Der
Separator 20 ist an seiner äußersten Umfangsfläche mit
einem Separator-Außenumfangsvorsprung 65 versehen
und in einem Abschnitt, der weiter innen davon liegt, mit einem
Verteilerrohr-Außenumfangsvorsprung 66,
der das Verteilerrohr 80 an dessen äußerer Umfangsfläche umgibt.
In einem Abschnitt, der weiter innen davon liegt, ist ein Separator-Innenumfangsvorsprung 67 vorgesehen.
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Der
Separator 20 weist eine nutbildende Vertiefung auf, die
als Klebstoff-Aufnahmeabschnitt 24 zur Aufnahme eines Klebstoffs
dient. Wie in 1 dargestellt, wird die nutbildende
Vertiefung von einer eine Außenumfangsnut
bildenden Vertiefung 62, die zwischen dem Separator-Außenumfangsvorsprung 65 und
dem Verteilerrohr-Außenumfangsvorsprung 66 an
der Außenumfangsseite
des Separators ausgebildet ist, wobei die Vorsprünge 65 und 66 als
Seitenflächenwände dienen,
und einer eine Innenumfangsnut bildenden Vertiefung 64,
die zwischen dem Verteilerrohr-Innenumfangsvorsprung 66 des
Verteilerrohrs an der Innenseite des Separators und dem Separator-Innenumfangsvorsprung 67 ausgebildet ist,
wobei die Vorsprünge 66 und 67 als
Seitenflächenwände dienen,
gebildet.
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Der
erste Separator 10 und der zweite Separator 20 sind
mit einer nutbildenden Vertiefung versehen, die an einer Oberfläche, wo
die Brennstoffzellen einander in der Richtung, in der das Zellenmodul
gebildet wird, zugewandt sind, einen konkaven Querschnitt aufweist.
Die nutbildende Vertiefung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine
Seitenfläche
(die Stapelrichtung der Schichten) in Bezug auf eine Bodenfläche (die
Oberflächenrichtung)
als Schräge ausgebildet
ist. In dem zweiten Separator 20, der die nutbildende Vertiefung
aufweist, wird der Klebstoff 22 auf die Innenfläche der
nut bildenden Vertiefung aufgebracht. Nach der Aufbringung des Klebstoffs 22 werden
der erste Separator 10 und der zweite Separator 20 so
angeordnet, dass die beiden nutbildenden Vertiefungen der ersten
und zweiten Separatoren 10 und 20 einander zugewandt
sind, wodurch ein Klebstoff-Aufnahmeraum 50 ausgebildet
wird. Der so ausgebildete Klebstoff-Aufnahmeraum 50 nimmt
den Klebstoff 22 auf, und die ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 werden
mit dem Klebstoff 22 verklebt, wodurch die Brennstoffzellen
zusammengebaut werden und ein Modul gebildet wird.
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Obwohl
in der vorliegenden Ausführungsform
der zweite Separator als benachbarte Komponente verwendet wird,
werden ein Separator und/oder eine Elektrolytmembran und/oder eine Membran/Elektroden-Anordnung
und/oder ein Harzrahmen als die benachbarte Komponente verwendet.
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Die
Seitenfläche 29 der
nutbildenden Vertiefung ist als Schräge mit einem Winkel in Bezug
auf die Bodenfläche 23 ausgebildet.
Wie in 3 dargestellt, ist an jeder Seitenfläche eine
Schräge
im gleichen Winkel θ mit
Bezug auf die Bodenfläche 23 ausgebildet.
Der Winkel θ ist
ein Winkel, der kleiner ist als 90 Grad; d.h. die Seitenfläche der
nutbildenden Vertiefung ist nicht rechtwinklig. Dadurch, dass somit die
Seitenfläche 29 der
nutbildenden Vertiefung mit dem Winkel θ versehen wird, kann die Erzeugung
einer Gasblase zwischen dem Klebstoff 22 und der Innenfläche der
nutbildenden Vertiefung verhindert werden, wenn ein Modul ausgebildet
wird, indem der erste Separator 10 auf den zweiten Separator 20 gelegt
wird und die beiden verklebt werden. Genauer unterstützt bei
der Ausbildung eines Moduls die Seitenfläche 29 mit dem Winkel θ die Abführung von Gas
nach außen
in größerem Umfang
als dies eine rechtwinklige Seitenfläche der nutbildenden Vertiefung
tun würde.
Infolgedessen kann die Erzeugung einer Gasblase unterdrückt werden.
Es ist auch möglich,
die Verschlechterung der Haftkraft des Klebstoffs oder einen Bruch
des Klebstoffs zu unterdrücken,
was ansonsten durch die Wärmeausdehnung der
Gasblase verursacht werden könnte,
nachdem ein Modul ausgebildet wurde.
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Der
erste Separator 10 und der zweite Separator 20 können aus
Kohlenstoffmaterial, Metall, Harz, leitfähigem Harz oder dergleichen
ausgebildet werden. Beispielsweise können die ersten und zweiten
Separatoren 10 und 20 jeweils Metallseparatoren oder
Kohlenstoffseparatoren (das Formteil aus Kohlenstoffmaterial gebildet
und der Kohlenstoff mit Harz gebunden) sein. In dem Beispiel von 1 handelt es
sich bei den ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 jeweils
um Kohlenstoffseparatoren.
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Der
erste Separator 10 ist mit einem Brenngaskanal 34 versehen,
um Brenngas zur MEA 30 zu liefern, während der zweite Separator 20 mit
einem Oxidationsgaskanal 32 zur Zuführung eines oxidierten Gases
zur MEA versehen ist. Die ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 sind
gegenüber
der Oberfläche,
wo die Gaskanäle 32, 34 ausgebildet sind,
auch mit einem Kühlmittelkanal 26 für die Durchleitung
eines Kühlmittels
(im Allgemeinen wird Kühlwasser
verwendet) an einer Verbindungsfläche versehen. Die Kanäle 26, 32 34 können Serpentinenkanäle sein,
die an einem oder mehreren Abschnitten umkehren, um von einem Einlass
zu einem Auslass zu verlaufen, oder gerade Kanäle, die auf geradlinige Weise
von einem Einlass zu einem Auslass verlaufen.
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Die
ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 sind
mit Verteilerrohren 80 versehen, die ein Kühlmittel-Verteilerrohr,
ein Brenngas-Verteilerrohr und ein Oxidationsgas-Verteilerrohr einschließen, die
in Stapelrichtung der Zellen verlaufen. Das Kühlmittel-Verteilerrohr kommuniziert
mit dem Kühlmittelkanal 26,
und das Brenngas-Verteilerrohr kommuniziert mit dem Oxidationsgaskanal 34.
Diese Verteilerrohre werden an einem zugewandten Ende der ersten
und zweiten Separatoren 10 und 20 ausgebildet,
und die Kanäle 26, 32 und 34 in
der Zellenoberfläche
werden in einem zentralen Bereich der Separatoren ausgebildet, wobei
ein Verteilerrohr-Ausbildungsbereich ausgenommen ist. Der Bereich,
wo sich der Gaskanalbereich befindet und die MEA 30 vorgesehen
ist, ist ein Leistungserzeugungsbereich der Zelle.
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Die
MEA 30 und die ersten und zweiten Separatoren 10 und 20 werden
gestapelt, um eine Brennstoffzelle 40 zu bilden, und ein
Zellmodul wird aus mindestens einer Brennstoffzelle 40 gebildet.
Die Module werden gestapelt, um eine gestapelte Zellenanordnung
zu bilden, und ein Anschluss, ein Isolator und eine Endplatte werden
an jedem Ende der gestapelten Zellenanordnung in der Richtung, in
der die Zellen gestapelt werden, angeordnet, und die gestapelte
Zellenanordnung wird in Zellstapelrichtung befestigt und an der
Außenseite
der gestapelten Zellenanordnung mit einer Spannplatte, die in Zellstapelrichtung
verläuft,
einem Bolzen und einer Mutter fixiert, wodurch ein Brennstoffzellen-Stapel
gebildet wird.
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[Entgasungs-Unterstützungsstruktur]
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Obwohl
entsprechend der vorliegenden Ausführungsform in einer Entgasungs-Unterstützungsstruktur
des Klebstoff-Aufnahmeabschnitts mit der nutbildenden Vertiefung
jede Seitenfläche 29 als Schräge mit dem
gleichen Winkel θ in
Bezug auf die Bodenfläche 23 ausgebildet
ist, so dass die nutbildende Vertiefung konisch ist, können verschiedene andere
Formen verwendet werden, solange die Struktur die Erzeugung einer
Gasblase wirksamer verhindern kann als dies die nutbildende Vertiefung tun
könnte,
bei der jede Seite orthogonal zur Bodenfläche ist. Die Entgasungs-Unterstützungsstruktur kann
an einer Innenfläche
des ersten Separators und/oder des zweiten Separators ausgebildet
werden. Sie kann eine der nachstehend beschriebenen Strukturen aufweisen
oder kann aus einer Kombination aus mehreren Arten von Strukturen
bestehen. Obwohl im Hinblick auf die Unterstützung der Entgasung solch eine
Vielzahl von Entgasungs-Unterstützungsstrukturen
verschiedener Arten vorzugsweise in der maximal möglichen
Anzahl bereitgestellt wird, kann im Hinblick auf die Herstellungsfreundlichkeit und
dergleichen ein Modus angewendet werden, der für die jeweilige Anwendung bevorzugt
ist. Die Entgasungs-Unterstützungsstruktur
kann (1) eine Schräge und
(2) eine Entgasungsnut aufweisen, die nachstehend als Beispiel beschrieben
wird.
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(1) Schräge
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Obwohl
in 3 der Winkel θ bei
beiden Seitenflächen
gleich ist, können
die Seitenflächen
mit unterschiedlichen Winkeln θ statt
mit den gleichen Winkeln ange ordnet werden. Alternativ dazu kann eine
Seitenfläche
rechtwinklig sein, während
die andere Seitenfläche 29 als
Schräge
mit einem Winkel θ ausgebildet
sein kann (Beispiel: 4). Die Schrägen können linear oder als gekrümmte Oberflächen ausgebildet
sein (Beispiel: 5). Ferner kann die Schräge in polygonaler
oder gestufter Form ausgebildet sein (wie in der Form einer Treppe
mit gleichmäßiger Stufenbreite)
(Beispiel: 7). Alternativ dazu kann der
Fall vorliegen, dass keine Bodenfläche vorgesehen ist und dass
die Schräge
in V-Form ausgebildet ist (Beispiel: 6). Eine
Struktur, in der nur entweder der erste Separator 10 oder
der zweite Separator 20 eine Schräge aufweist, ist ebenfalls
möglich
(Beispiel: 8).
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Die
Schräge
kann jede Form haben, wie linear, gekrümmt, gestuft oder polygonal
geformt, solange die Entgasungs-Unterstützungsfunktion bereitgestellt
werden kann. Die Schräge
muss nicht eine gleichmäßige lineare,
gekrümmte,
gestufte oder polygonale Form aufweisen und es kann eine Vielzahl von
Formen verwendet werden. Beispielsweise kann die Schräge von der
Bodenfläche
bis zu einer bestimmten Höhe
linear sein, von dieser Höhe
bis zu einer weiteren Höhe
gekrümmt
sein und von dieser Höhe
bis zu einer Oberfläche,
wo die Separatoren verbunden werden, gestuft sein. Das heißt, es ist jede
Form möglich,
solange die Schräge
als Teil des Umfangsrands der nutbildenden Vertiefung ausgebildet
ist.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „eine schräge Konstruktion" in dieser Schrift
einen breiten Begriff bezeichnet, der linear, gekrümmte Oberflächen, gestufte,
polygonale Konstruktionen und dergleichen einschließt und der
nicht auf eine lineare Schräge
usw. beschränkt
ist.
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Der
Winkel θ ist
vorzugsweise 30 Grad bis 60 Grad und besonders bevorzugt 45 Grad.
Winkel, die kleiner sind als 30 Grad, können zu einer ungenügenden Kapazität der nutbildenen
Vertiefung für
die Aufnahme des Klebstoffs führen.
Andererseits liegen Winkel, die größer sind als 60 Grad, näher bei
einem rechten Winkel, wodurch es misslingen kann, die Luft auszulassen.
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(2) Entgasungsnut
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In
einer in 9 dargestellten Konstruktion ist
eine Entgasungsnut 60, die bis in das Verteilerrohr reicht,
in einem Abschnitt der Seitenfläche 29 der
nutbildenden Vertiefung im zweiten Separator vorgesehen, wo die
Separatoren verbunden werden. Diese Bereitstellung einer Entgasungsnut 60 führt dazu, dass
Gas in einer Gasblase, die beim Kleben entsteht, nach außen abgelassen
wird. Infolgedessen können
die Ausdehnung von Luft und der Bruch des Klebstoffs 22,
der durch die Gasblase verursacht wird, wenn die Temperatur steigt,
vermieden werden.
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Die
Entgasungsnut 60 ist vorzugsweise eine Nut, die in der
Lage ist, Gas in der Blase nach außen auszutreiben und zu verhindern,
dass der Klebstoff 22, der innen aufgetragen wurde, nach
außen
dringt. Falls der Klebstoff 22 nach außen dringt, könnte der Gaskanal
der Brennstoffzelle vom Klebstoff 22 blockiert werden.
Daher weist die Entgasungsnut 60 vorzugsweise einen minimalen
Durchgangsdurchmesser auf. Die Entgasungsnut 60 kann jede
Struktur aufweisen, solange sie das Gas austreiben kann, und es
können
verschiedene Arten von Nuten, wie halbzylindrische, V-förmige oder
nutbildende Vertiefungen, verwendet werden.
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Um
eine Nutstruktur zu erhalten, die in der Lage ist, das Gas in der
Blase nach außen
auszutreiben und zu verhindern, dass der Klebstoff 22 im
Inneren nach außen
dringt, enthält
der Klebstoff 22 vorzugsweise eine Komponente zur Unterdrückung eines
nach außen
Dringens des Klebstoff. Beispielsweise schließt der Klebstoff vorzugsweise
runde Kugeln ein und noch stärker
bevorzugt eine Vielzahl von Kugeln 70, um ein nach außen Dringen
des Klebstoffs noch besser zu verhindern (10). Die
runden Elemente, wie Kugeln, können
durch andere Klebstoffaustritts-Unterdrückungskomponenten ersetzt werden,
die feste Elemente mit polygonaler Form, wie rechtwinklige Parallelepipede
und Würfel, einschließen, die
aus verschiedenen Materialien gebildet sind, die gegenüber dem
Klebstoff inert sind. Eine solche Klebstoffaustritts-Unterdrückungskomponente
kann zuvor in die nutbildende Vertiefung statt in den Klebstoff 22 eingebracht
werden, gefolgt von der Einspritzung des Klebstoffs 22 in
die so angeordnete Klebstoffaustritts-Unterdrückungskomponente.
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Wenn
man davon ausgeht, dass die minimale Tiefe der gesamten Entgasungsnut 60;
d.h. von der Innenfläche
der nutbildenden Vertiefung bis zur Mündung des Verteilerrohrs, mit "d" bezeichnet wird und der Durchmesser
der runden Kugel 70 mit „e" bezeichnet wird, kann, wenn der Durchmesser „e" der Kugel nicht
kleiner ist als die Tiefe „d" der Entgasungsnut 60 (Tiefe „d" ≤ Durchmesser „e"), ein nach außen Dringen des Klebstoffs
zum Verteilerrohr unterdrückt
werden, da die Kugel 70 die Entgasungsnut 60 blockieren
kann. Diese Kugel ist vorzugsweise aus einem Material gebildet,
das gegenüber
dem Klebstoff inert ist, wie Siliciumdioxid, Glas oder Harz.
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[Modus der Klebstoffaustritts-Unterdrückung mit
Kugeln]
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10 und 11 zeigen,
wie der Klebstoffaustritt unterdrück wird, wenn der Klebstoff
eine Vielzahl von Kugeln 70 enthält. Die Seitenfläche 29 des zweiten
Separators 20 ist mit der konkaven Entgasungsnut 60 versehen,
die eine eingetiefte Form aufweist und deren Tiefe „d" über den ganzen Leitungsweg
hinweg gleich ist. Der Klebstoff 22, der eine Vielzahl
von Kugeln enthält,
wird in die nutbildende Vertiefung an der Oberfläche des zweiten Separators 20 eingebracht.
Nach dieser Einbringung des Klebstoffs 22 in die nutbildende
Vertiefung wird der erste Separator 10 mit dem zweiten
Separator 20 verklebt, so dass der Klebstoff komprimiert
wird. Die Kugeln 70 im Klebstoff 22 werden zum
Einlass der Entgasungsnut 60 gebracht. Da der Durchmesser „e" der Kugel größer ist
als die Tiefe „d" der eine Entgasungsnut
bildenden Vertiefung 60, blockiert die Kugel die eine Entgasungsnut
bildende Vertiefung 60. Diese Blockierung kann nicht nur
durch die Kugel mit dem Durchmesser „e", der die Tiefe „d" der eine Entgasungsnut bildenden Vertiefung 60 übertrifft,
sondern auch durch eine Kugel, die gleich große oder etwas kleiner als die
Tiefe ist, erreicht werden. Es können Kugeln
beliebiger Größe verwendet
werden, solange sie als Widerstand für den Durchtritt des Klebstoffs dienen
können,
um ein Ausfließen
des Klebstoffs zu verhindern.
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Wie
oben beschrieben, blockiert die Kugel 70 die eine Entgasungsnut
bildende Vertiefung 60, wodurch ein Austreten des Klebstoffs 22 nach
außen unterdrückt wird.
Gleichzeitig lässt
eine Lücke,
die zwischen der Kugel 70 und der Entgasungsnut 60 ausgebildet
ist, zu, dass Gas in der Gasblase dort hindurch ausgetragen wird.
Somit kann ein Austritts-Unterdrückungsmodus
geschaffen werden, mit dem der Austritt von Klebstoff 22 nach
außen
verhindert wird, während
eine Austragung des Gases bewirkt wird.
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[Andere Konstruktionsbeispiele]
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Ein
anderes Konstruktionsbeispiel ist in 17 dargestellt. 17 zeigt
den Abschnitt, an dem der erste Separator 10 und der zweite
Separator 20 verbunden werden, und der Klebstoff 22 ist
zwischen den beiden Separatoren 10 und 20 angeordnet.
In diesem Beispiel ist eine nutbildende Vertiefung 90 in
der Verbindungsfläche
des zweiten Separators 20 angeordnet, und eine Seitenfläche 92 und
eine Bodenfläche 94 der
nutbildenden Vertiefung 90 sind im Wesentlichen orthogonal
zueinander angeordnet, aber eine Schräge 96 ist im Verbindungsabschnitt vorgesehen.
Infolgedessen führt
die Bereitstellung einer solchen Schräge 96 zu einem Winkel
von 135 Grad an den Verbindungsabschnitten zwischen der Seitenfläche 92 und
der Schräge 96 und
zwischen der Schräge 96 und
der Bodenfläche 94,
während der
Verbindungswinkel 90 Grad sein würde,
wenn die Seitenfläche 92 und
die Bodenfläche 94 einander
direkt berühren
würden.
Somit ist der Winkel, der zwischen den Verbindungsflächen gebildet
wird, stumpf wodurch eine Ecke eliminiert wird, die bei Auftragung des
Klebstoffs 22 eine Gasblase bilden würde.
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18 zeigt
einen Verbindungsabschnitt, wo der erste Separator 10 und
der zweite Separator 20 eine Katalysatorschicht 30a der
MEA 30 in die Mitte nehmen und fixieren, und in diesem
Abschnitt ist der Klebstoff 22 zwischen den Separatoren 10 und 20 angeordnet
und umgibt ein Ende der Katalysatorschicht 30a. In diesem
Abschnitt weist der zweite Separator 20 einen gestuften
Abschnitt 98 auf, der aus der Seitenfläche 92 und der Bodenfläche 94 besteht, wobei
der Abstand zum ersten Separator 10 entsprechend der Dicke
der Katalysatorschicht 30a in dem Bereich, wo die Katalysator schicht 30a vorgesehen ist,
zunimmt, um die Katalysatorschicht 30a ordnungsgemäß aufzunehmen. Ähnlich wie
bei der oben beschriebenen Konstruktion ist die Schräge 96 am Verbindungsabschnitt
der Seitenfläche 92 und
der Bodenfläche 94 vorgesehen.
Infolgedessen weist der Verbindungsabschnitt zwischen der Seitenfläche 92 und
der Schräge 96 einen
Winkel von 135 Grad auf.
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19 zeigt
ein weiteres Konstruktionsbeispiel, in dem die Schräge 96,
die in 17 dargestellt ist, als gekrümmte Oberfläche ausgebildet
ist. Genauer weist die Schräge 96 einen
bogenförmigen Querschnitt
mit einem vorgegebenen Radius auf, der die Seitenfläche 92 und
die Bodenfläche 94 mit
weichem Übergang
verbindet. Eine solche Konstruktion eliminiert eine Ecke, wodurch
die Erzeugung einer Gasblase eliminiert wird.
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20 zeigt
ein weiteres Konstruktionsbeispiel, in dem die Schräge 96 der 18 als
gekrümmte
Oberfläche
ausgebildet ist.
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21 zeigt
ein weiteres Konstruktionsbeispiel, in dem die Seitenfläche 92 der 17 eliminiert
ist und von der Schräge 96 ersetzt
ist. Anders ausgedrückt
dient die Schräge 96 als
Seitenfläche. Solch
eine Konstruktion eliminiert ebenfalls eine Ecke, wodurch die Erzeugung
einer Gasblase verhindert wird.
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22 zeigt
ein weiteres Konstruktionsbeispiel, in dem die Schräge 92 der 18 eliminiert
ist und die Seitenfläche
von der Schräge 96 gebildet wird.
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23 zeigt
ein weiteres Konstruktionsbeispiel, in dem die Schräge 96 der 21 als
gekrümmte
Oberfläche
ausgebildet ist. Obwohl die Bodenfläche 94 in 23 ebenfalls
eliminiert wurde, kann die Bodenfläche 94 vorgesehen
werden.
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24 zeigt
ein weiteres Konstruktionsbeispiel, in dem die Schräge 96 der 22 als
gekrümmte
Oberfläche
ausgebildet ist.
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Wie
oben beschrieben, ist eine Schräge
am Verbindungsabschnitt zwischen der Seitenfläche und der Bodenfläche der
nutbildenden Vertiefung 90 und dem gestuften Abschnitt 98 ebenfalls
im Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Separator und dem zweiten
Separator 20 auf der Seite, wo die MEA 30 zwischen
den Separatoren angeordnet ist, ausgebildet.
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Die
Erzeugung einer Gasblase kann zur Ausdehnung des Gases in der Gasblase
während
des Erwärmungsverfahrens
für die
Klebung führen
und einen Gasaustrittsweg bilden. Die vorliegenden Ausführungsformen
können
die Erzeugung solch eines Gasaustrittswegs wirksam verhindern. Genauer
ist es möglich,
die Bildung eines Austrittswegs zwischen dem Innenraum der Zelle
und dem Verteilerrohr, der als Durchtritt für das Kühlmittel dient, und anderen Gaswegen
fungiert, zu verhindern.
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Obwohl
die nutbildende Vertiefung im Zusammenhang mit den vorliegenden
Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, kann die Nut durch eine Vielzahl
von lochbildenden Vertiefungen ersetzt werden. Der Ausdruck "grubenbildende Vertiefung" bezeichnet sowohl
eine "nutbildende
Vertiefung" als
auch eine "lochbildende
Vertiefung".
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
Erfindung kann allgemein auf Brennstoffzellenmodule des Festpolymer-Typs,
des Phosphorsäure-Typs,
des Carbonatschmelze-Typs, des Festoxid-Typs und dergleichen angewendet
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLENMODUL
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Ein
Brennstoffzellenmodul, in dem an beiden Flächen Schrägen mit dem gleichen Winkel θ relativ zu
einer Bodenfläche
ausgebildet sind, um eine nutbildende Vertiefung in konischer Form
auszubilden. Da der Winkel θ für die Seitenflächen der
nutbildenden Vertiefung vorgesehen ist, kann die Austragung von
Gasen aus einer Gasansammlung nach außen von den Seitenflächen mit
dem Winkel θ stärker unterstützt werden
als in dem Fall, in dem die Seitenflächen der nutbildenden Vertiefungen
in rechtwinkliger Form ausgebildet sind, auch wenn eine Ansammlung von
Gasen zwischen einem Klebstoff und den Innenflächen der nutbildenden Vertiefung
erzeugt wird, wenn erste und zweite Separatoren aneinander gefügt werden,
um ein Modul zu bilden, indem der erste Separator auf den zweiten
Separator gelegt wird. Somit kann verhindert werden, dass es zu
einer Gasansammlung kommt.