DE10048331A1 - Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Eine Brennstoffzelle ist vorgesehen, welche einen geringeren Gasverlust, keine Verformung der Elektroden und niedrige Herstellungskosten aufweist. Die Brennstoffzelle hat eine Feststoffpolymerelektrolytmembran (4), die eine größere Fläche als die Elektroden hat, die durch zwei Elektroden schichtweise angeordnet ist, und eine Dichtung (7), die einen äußeren Umfang der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der von einem Elektrodenkontaktabschnitt (4b) vorsteht.
Description
Diese Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere
eine Brennstoffzelle, bei der ein Gasverlust reduziert ist, die
Verformung der Elektrode verhindert wird und die Kosten für
ihren Zusammenbau reduziert werden.
Durch Abgase von Automobilen verursachte Luftverunreinigung ist
ein ernstzunehmendes Problem. Ein Elektrofahrzeug wurde als eine
Gegenmaßnahme gegen Abgase von Automobilen eingeführt. Noch
haben sich Elektrofahrzeuge wegen der Schwierigkeit aufgrund
notwendigen häufigen Wiederholens des Ladens und der zur
Verfügung stehenden Reichweite nicht durchgesetzt.
In den letzten Jahren werden Automobile, die mit einer
Brennstoffzelle ausgestattet sind, die mit der Umkehrreaktion
der Elektrolyse unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff
Elektrizität erzeugt, als ein umweltfreundliches Fahrzeug
entwickelt, das nichts außer Wasser ausstößt. Eine
Brennstoffzelle der Feststoffpolymerelektrolytbauart verspricht
am meisten Erfolg für den Einbau bei Fahrzeugen.
Die Brennstoffzelle der Feststoffpolymerelektrolytbauart ist im
Allgemeinen mit einem Schichtstapel (Stack) vieler einzelner
Zellen aufgebaut. Ein Zellen-Stack weist eine Elektrodeneinheit
mit einer Feststoffpolymerelektrolytmembran, die durch zwei
Elektroden (eine Brennstoffelektrode und eine
Oxidationsmittelelektrode) schichtweise aufgebaut ist, und
Trenneinrichtungen auf, die Gasströmungsleitungen für das
Brennstoffgas oder das Oxidationsgas haben und die die
Elektrodeneinheit schichtenweise anordnen.
Die folgende Reaktion tritt beim Kontakt des Wasserstoffs in dem
Brennstoffgas mit dem Katalysator an der Brennstoffelektrode
auf:
2H2 → 4H+ + 4e-
H+ wird in der Feststoffpolymerelektrolytmembran überführt, um
den Oxidationsmittelelektrodenkatalysator zu erreichen und
Wasser durch den Wasserstoff in dem Oxidationsgas zu erzeugen.
4H++ 4e- + O2 → 2H2O
Es ist erforderlich, dass viel Gas in dem Katalysator verwendet
wird, um die oben beschriebene Reaktion wirksam durchzuführen.
Es ist notwendig, dass der Verlust des Brennstoffgases und des
Oxidationsgases an jeder Stelle außer an dem
Elektrodenkontaktabschnitt verhindert wird.
Als ein erster zugehöriger Stand der Technik der herkömmlichen
Technik für eine Brennstoffzelle ist ein Aufbau in einer
japanischen Patentoffenlegungsschrift H 09-17437 (am 17. Januar
1997 veröffentlicht) offenbart. Bei diesem Stand der Technik ist
der Aufbau mit einer zwischen Trenneinrichtungen angeordneten
Dichtung und einer Feststoffpolymerelektrolytmembran, die mit
den Elektroden verklebt ist, offenbart.
Als ein zweiter Stand der Technik offenbart die Druckschrift.
WO 92/22096 den Aufbau, bei dem eine Dichtung mit den Elektroden
verklebt ist und eine Feststoffpolymerelektrolytmembran in einer
Einheit die Elektroden und die Feststoffpolymerelektrolytmembran
überlappt.
Der herkömmliche Aufbau der Brennstoffzelle hat jedoch
Nachteile. Da eine große Anzahl von Teilen bei dem Aufbau des
ersten Standes der Technik erforderlich ist, ist die Dichtung
als eine Einheit mit der Trenneinrichtung aufgebaut. Im
Allgemeinen ist das Gummi an der Trenneinrichtung durch
Spritzgießen oder Druckformen aufgebracht, um die Dichtung und
die Trenneinrichtung als eine Einheit auszubilden.
Für diesen Fall sind einige Mittel erforderlich, um das Fließen
des die Dichtung ausbildenden Materials, wie zum Beispiel des .
Gummis, in die Leitung zu verhindern, die das Gas einführt und
aus einem Verteiler zu der Brennstoffzelle ausstößt. Das dafür
eingesetzte technische Mittel besteht im Formen der Leitung,
wobei eine Verschachtelung bzw. ein Giessbaum eingesetzt wird
und nach dem Formen entfernt wird. Es ist jedoch schwierig, den
Fluss des Dichtungsmaterials in die Leitung mit diesem
technischen Mittel vollständig anzuhalten und der zusätzliche
Arbeitsgang des Entfernens der Verschachtelung bzw. des
Giessbaums ist erforderlich. Dies ist ein entscheidender
Nachteil für die Massenproduktion.
Bei dem Aufbau des zweiten Stands der Technik, bei dem die
Dichtung auf überlappende Weise als eine Einheit mit der
Elektrode und der Feststoffpolymerelektrolytmembran verklebt
ist, kann der Gasverlust durch Abdecken der
Feststoffpolymerelektrolytmembran mit der Elektrode und der
Dichtung reduziert werden, wenn die Dichtung überlappend mit der
Elektrode und der Feststoffpolymerelektrolytmembran
zusammengebaut ist. Eine vorbestimmte Form kann jedoch nicht
ohne eine relativ große Last auf die Elektrode beim Verkleben
mit Klebstoff bei dem eigentlichen Herstellungsprozess erhalten
werden, was zu der Verformung der Elektrode führen kann, wobei
sich eine Verschlechterung der Leistungserzeugungsfähigkeit
ergibt.
Bei dem Aufbau des zweiten Stands der Technik, bei dem die
Dichtung mit einem Teil der Feststoffpolymerelektrolytmembran
mit einem Abstand von dem Elektrodenkontaktabschnitt verklebt
ist, tritt ein Gasverlust aus der
Feststoffpolymerelektrolytmembran zwischen dem
Elektrodenkontaktabschnitt und der Dichtung auf.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen
Abdichtungsaufbau der Brennstoffzellenelektrode mit einem
geringeren Gasverlust ohne Verformung der Elektrode und mit
niedrigen Herstellungskosten zu schaffen.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, sind die folgenden
technischen Mittel bei der Brennstoffzelle der Erfindung
vorgesehen, welche eine Feststoffpolymerelektrolytmembran mit
einer größeren Fläche als die der Elektroden hat und welche
durch zwei Elektroden und eine Dichtung, die um den Außenumfang
der Feststoffpolymerelektrolytmembran gehüllt ist, die von dem
Elektrodenkontaktabschnitt vorsteht, schichtweise angeordnet und
verbunden ist.
Die Wirkungen des technischen Mittels dieser Erfindung der
Brennstoffzelle sind die folgenden. Da die Dichtung den gesamten
Umfang der Feststoffpolymerelektrolytmembran vollständig
bedeckt, strömt das Gas nicht aus der
Feststoffpolymerelektrolytmembran aus und der Gasverlust kann
reduziert werden. Da die Dichtung die Elektroden nicht
überlappt, wird keine Verformung der Elektroden erzeugt.
Außerdem macht es der Aufbau der
Feststoffpolymerelektrolytmembran, der Elektroden und der
Dichtung als eine Einheit möglich, die Anzahl der Teile zu
reduzieren. Als Folge wird der Zusammenbau der Brennstoffzelle
vereinfacht, kann die Zusammenbauzeit reduziert werden und
können die Herstellungskosten der Brennstoffzelle reduziert
werden.
Ein anderer Gesichtspunkt des technischen Mittels der
Brennstoffzelle dieser Erfindung zum Lösen des oben genannten
Problems weist einen Verstärkungsabschnitt auf, der in dem
Umfang der Dichtung angeordnet ist.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende. Da die Gestalt
der Dichtung durch den Verstärkungsabschnitt erhalten wird, wird
die Handhabung der Dichtung beim Zusammenbau vereinfacht, kann
die Zusammenbauzeit reduziert werden und können die
Herstellungskosten der Brennstoffzelle reduziert werden. Wenn
die Feststoffpolymerelektrolytmembran zusammen mit den
Elektroden als eine Einheit gelagert wird, kann die Verformung
und die Zerstörung des Abdichtungsabschnitts, was von der
Verformung der Dichtung herrührt, verhindert werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels der Erfindung
der Brennstoffzelle weist jeweils Zuführlöcher und Ablasslöcher
zum Leiten des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und des
Kühlwassers zu der Dichtung auf.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende. Die
Brennstoffzelle mit der Dichtung zwischen den
Trenneinrichtungen, einem Zuführverteiler und einem
Ablassverteiler, die mit den Zufuhrlöchern und den Ablasslöchern
an der Dichtung vorgesehen sind, und mit den Zufuhrlöchern und
den Ablasslöchern für das Fluid (das Brennstoffgas, das
Oxidationsgas und das Kühlwasser), die in Fluidverbindung
stehen, die an der Trenneinrichtung vorgesehen sind, ermöglicht
das Abdichten des Fluids.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung einer Brennstoffzelle weist einen wulstförmigen
vorstehenden Abschnitt auf, der zumindest entweder den
Elektrodenkontaktabschnitt, die Zuführlöcher oder die
Ablasslöcher in der Dichtung einschließen.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende. Das Fluid kann
durch den Kontakt des wulstförmigen vorstehenden Abschnitts zu
der Trenneinrichtung dicht abgedichtet werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle weist den Verstärkungsabschnitt
auf, der in der Dichtung angeordnet ist und einen durchgehenden
oder unterbrochenen Draht oder eine dünne rechteckige Platte
hat, die die Feststoffpolymerelektrolytmembran einschließt.
Die Wirkungen des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle sind die folgenden.
Da die gesamte Dichtung mit einem einfachen Aufbau verstärkt
werden kann, können eine hervorragende Verstärkungseigenschaft
und geringere Kosten erzielt werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle beinhaltet, dass die Dichtung
elastisch ist und dass die Dichtung und der vorstehende
Abschnitt als eine Einheit ausgebildet sind.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende.
Da die Dichtung elastisch ist, kann sie mit der Trenneinrichtung
in festem Kontakt stehen, ohne dass ein Spalt dazwischen
zugelassen wird, und das Fluid kann vollständig abgedichtet
werden. Da die Dichtung und der vorstehende Abschnitt in einem
Schritt hergestellt werden können, können die Herstellungskosten
reduziert werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle beinhaltet, dass einer der
wulstförmigen vorstehenden Abschnitte, die angeordnet sind, um
den Elektrodenkontaktabschnitt zu umschließen, an dem
Umfangsabschnitt der Innenseite der
Feststoffpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende.
Da der wulstförmige vorstehende Abschnitt die
Feststoffpolymerelektrolytmembran verdichtet, ist die
Feststoffpolymerelektrolytmembran dicht bzw. enganliegend mit
der Dichtung abgedichtet.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle schließt die Dichtung ein, die als
eine Einheit ausgebildet ist.
Die Wirkungen des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle sind die folgenden.
Da die Dichtung als eine Einheit aufgebaut ist, kann das Fluid
dicht abgedichtet werden. Die Herstellungskosten können
reduziert werden, da die Dichtung in einem Schritt hergestellt
wird.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist es, dass ein Abschnitt, der
den Umfangsabschnitt der Feststoffpolymerelektrolytmembran
bedeckt, an der Dichtung in zwei Abschnitte an der Fläche der
Feststoffpolymerelektrolytmembran geteilt ist.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende.
Die Teilung des die Feststoffpolymerelektrolytmembran
bedeckenden Abschnitts ermöglicht ein Bedecken mit Klebstoff.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle beinhaltet, dass die gesamte
Dichtung in zwei Teile an der Fläche der
Feststoffpolymerelektrolytmembran geteilt ist.
Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle ist die folgende.
Die Teilung des die Feststoffpolymerelektrolytmembran
bedeckenden Abschnitts ermöglicht ein Bedecken mit Klebstoff.
Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels dieser
Erfindung der Brennstoffzelle beinhaltet, dass zumindest einer
der Deckelabschnitte eines Gaseinlasses und eines Gasauslasses,
die das Brennstoffgas und das Oxidationsgas jeweils von den
Zufuhrlöchern und den Ablasslöchern des Brennstoffgases und des
Oxidationsgases zu den Elektroden zuführen und ausstossen, mit
der Dichtung fluiddicht verbunden ist oder angebracht ist.
Die Wirkungen des oben erwähnten technischen Mittels bei dieser
Erfindung der Brennstoffzelle sind die folgenden.
Verbinden oder Verkleben von Deckelabschnitten und der Dichtung
gleichzeitig mit dem Zusammenbau der Brennstoffzelle ermöglicht
eine Verkürzung der Zusammenbauzeit und eine Reduzierung der
Herstellungskosten.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden
offensichtlicher mit der folgenden genauen Beschreibung des
bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Hinzunahme
der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht, die eine Brennstoffzelle
eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer Trenneinrichtung 1A und
einer Trenneinrichtung 1B des ersten Ausführungsbeispiels aus
der Richtung einer Brennstoffzellenelektrodenseite betrachtet;
Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer Trenneinrichtung 1B und
einer Trenneinrichtung 1C des ersten Ausführungsbeispiels der
Erfindung aus der Richtung einer Oxidationselektrodenseite
betrachtet;
Fig. 4 zeigt eine Elektrodeneinheit des ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei (a) eine Vorderansicht
der Elektrodeneinheit aus der Richtung der
Luftzufuhrleitungsseite betrachtet ist und (b) eine
Schnittansicht der Elektrodeneinheit ist;
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit eines
zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit eines
dritten Ausführungsbeispiels; und
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit eines
vierten Ausführungsbeispiels.
Die Ausführungsbeispiele der Brennstoffzelle dieser Erfindung
sind im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7
beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Teilschnittansicht einer
Brennstoffzelle dieser Erfindung. Eine
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 ist schichtweise zwischen
zwei Elektroden, einer Oxidationsmittelelektrode 5 und einer
Brennstoffelektrode 6 zum Verbinden der zwei angeordnet. Die
Abmessung der Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 ist größer als
die der Oxidationsmittelelektrode 5 und der Brennstoffelektrode
6. Ein äußerer Umfangsabschnitt der
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 steht von dem jeweiligen
äußeren Umfang der Oxidationsmittelelektrode 5 und der
Brennstoffelektrode 6 vor. Der vorstehende Abschnitt der
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 wird bei dieser Erfindung
ein Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a genannt.
Eine Dichtung 7, die ein elastisches aus Ethylen-Propylen-Gummi
(EPDM) hergestelltes elastisches Element ist, ist an dem
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a durch
Spritzgießen ausgebildet. Eine Elektrodeneinheit 3 weist die
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4, die
Oxidationsmittelelektrode 5, die Brennstoffelektrode 6 und die
Dichtung 7 auf.
Die Elektrodeneinheit 3 wird durch eine Trenneinrichtung 1A und
eine Trenneinrichtung 1B oder eine Trenneinrichtung 1B und eine
Trenneinrichtung 1C gestützt. Eine Einheit ist durch
Zusammenbauen der Komponenten in der Reihenfolge von der
Trenneinrichtung 1A, der Elektrodeneinheit 3, der
Trenneinrichtung 1B, der Elektrodeneinheit 3 und der
Trenneinrichtung 1C aufgebaut. Die Brennstoffzelle ist mit dem
Schichtstapel (Stack) dieser Einheiten aufgebaut.
Eine Dichtung 7 wird durch eine Umfangsvertiefung 8a der
Trenneinrichtung 1A und eine Umfangsvertiefung 8b der
Trenneinrichtung 1B gestützt. Eine andere Dichtung 7 wird durch
eine Umfangsvertiefung 8c der Trenneinrichtung 1B und eine
Umfangsvertiefung 8d der Trenneinrichtung 1C gestützt. Durch
diesen Aufbau werden das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und
das Kühlwasser abgedichtet. Eine Dichtung 7a, die zwischen der
Trenneinrichtung 1A und der Trenneinrichtung 1C angeordnet ist,
dichtet das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlwasser
ab.
Brennstoffgaszufuhrleitungen 11a, durch die das Brennstoffgas
zwischen der Trenneinrichtung 1A und der Elektrodeneinheit 3 und
zwischen der Trenneinrichtung 1B und der Elektrodeneinheit 3
strömt, sind an der Trenneinrichtung 1A bzw. an der
Trenneinrichtung 1B angeordnet. Luftzufuhrleitungen 11b, durch
die die Luft, das Oxidationsgas, zwischen der Trenneinrichtung
1B und der Elektrodeneinheit 3 und zwischen der Trenneinrichtung
1C und der Elektrodeneinheit 3 fließt, sind an der
Trenneinrichtung 1B bzw. an der Trenneinrichtung 1C angeordnet.
Es gibt keine Elektrodeneinheit 3 zwischen der Trenneinrichtung
1A und der Trenneinrichtung 1C. Eine Kühlwasserzufuhrleitung
11c, durch die das Kühlwasser fließt, ist zwischen der
Trenneinrichtung 1C und der Trenneinrichtung 1A angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht der Trenneinrichtungen 1A und 1B
des ersten Ausführungsbeispiels von der Seite der
Brennstoffelektrode 6 betrachtet. Fig. 3 zeigt eine
Vorderansicht der Trenneinrichtungen 1B und 1C des ersten
Ausführungsbeispiels von der Seite der Oxidationsmittelelektrode
5 betrachtet. Die Trenneinrichtungen 1A, 1B und 1C haben
Brennstoffgaszufuhrlöcher 13, einen Brennstoffgaseinlass 12,
eine Brennstoffgaszufuhrleitung 11a, einen Brennstoffgasauslass
10, Brennstoffgasablasslöcher 9, Luftzufuhrlöcher 15,
Luftablasslöcher 16, Kühlwasserzufuhrlöcher 17,
Kühlwasserablasslöcher 18, einen Lufteinlass 19, eine
Luftzufuhrleitung 11b und einen Luftauslass 20.
In Fig. 2 ist die Umfangsvertiefung 8a an der Trenneinrichtung
1A und die Umfangsvertiefung 8c an der Trenneinrichtung 1B
angeordnet. In Fig. 3 ist die Umfangsvertiefung 8b an der
Trenneinrichtung 1B angeordnet und die Umfangsvertiefung 8d ist
an der Trenneinrichtung 1C angeordnet. Ein Deckelabschnitt 12a
ist an dem Brennstoffgaseinlass 12 angeordnet, um zu verhindern,
dass der Gasstrom durch die Dichtung 7 versperrt wird. Deckel
10a, 19a und 20a sind an dem Brennstoffgasauslass 10, dem
Lufteinlass 19 bzw. dem Luftauslass 20 angeordnet.
Fig. 4(a) zeigt eine Vorderansicht der Elektrodeneinheit 3 des
ersten Ausführungsbeispiels von der Seite der Luftzufuhrleitung
11b betrachtet. Fig. 4(b) zeigt eine Schnittansicht der
Elektrodeneinheit 3 des ersten Ausführungsbeispiels. Die
Dichtung 7 ist um die Brennstoffgaszufuhrlöcher 13, die
Brennstoffgasablasslöcher 9, die Luftzufuhrlöcher 15, die
Luftauslasslöcher 16, die Kühlwasserzufuhrlöcher 17 und die
Kühlwasserablasslöcher 18 angeordnet. Die Dichtung 7 umhüllt den
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a, der von
einem Elektrodenkontaktabschnitt 4b der
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 vorsteht.
An der Vorderseite und an der Hinterseite der Dichtung 7 ist ein
wulstförmiger vorstehender Abschnitt 21 zum Abdichten des
Brennstoffgases, der Luft und des Kühlwassers angeordnet. Ein
Teil des vorstehenden Abschnitts 21 ist weiter innen als der
Grenzumfang der Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 angeordnet,
um das Gas in der Elektrode vollständig abzudichten. Ein anderer
Teil des vorstehenden Abschnitts 21 ist vorgesehen, um die
Brennstoffgaszufuhrlöcher 13 zu umgeben.
Ein weiterer Teil des vorstehenden Abschnitts 21 ist vorgesehen,
um die Brennstoffgasablasslöcher 9, die Kühlwasserzufuhrlöcher
17 bzw. die Kühlwasserablasslöcher 18 zu umgeben. Ein
unterschiedlicher Teil des vorstehenden Abschnitts 21 ist
vorgesehen, um die Luftzufuhrlöcher 15, die Luftablasslöcher 16,
die Elektrode 5 und die Elektrode 6 zu umgeben.
Die Trenneinrichtungen 1A, 1B, 1C und die
Brennstoffgaszufuhrlöcher 13 der Dichtung 7 bilden einen
Brennstoffgaszufuhrverteiler. Die Brennstoffgasablasslöcher 9,
die Luftzufuhrlöcher 15, die Luftablasslöcher 16, die
Kühlwasserzufuhrlöcher 17 und die Kühlwasserablasslöcher 18
bilden den Brennstoffgasablassverteiler, den Luftzufuhrverteiler
15M, den Luftablassverteiler 16M, den Kühlwasserzufuhrverteiler
bzw. den Kühlwasserablassverteiler, wenn diese Komponenten zu
zusammengebaut werden, um die Brennstoffzelle zu bilden.
Das Brennstoffgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird,
strömt in den Brennstoffgaszufuhrverteiler und wird der
Brennstoffgaszufuhrleitung 11a über die
Brennstoffgaszufuhrlöcher 13 der Trenneinrichtung 1A, 1B und den
Brennstoffgaseinlass 12 eingeführt. Wasserstoff in dem
Brennstoffgas, das in der Brennstoffgaszufuhrleitung 11a strömt,
wird für die Reaktion an der Brennstoffelektrode verwendet. Der
Rest des Brennstoffgases, das bei dieser Reaktion nicht
verwendet wird, wird an die Brennstoffgasablasslöcher 9 der
Trenneinrichtung 1A, 1B über den Brennstoffgasauslass 10
abgegeben. Das Brennstoffgas wird aus der Brennstoffzelle
abgelassen, wobei es durch den Brennstoffgasablasskrümmer
strömt.
Die der Brennstoffzelle zugeführte Luft strömt in dem
Luftzufuhrverteiler 15M und wird der Luftzufuhrleitung 11b über
die Luftzufuhrlöcher 15 der Trenneinrichtung 1B, 1C und dem
Lufteinlass 19 zugeführt. Der Sauerstoff in der in der
Luftzufuhrleitung 11b strömenden Luft wird für die Reaktion an
der Oxidationsmittelelektrode 5 verwendet. Der Rest der Luft,
die bei dieser Reaktion nicht verwendet wird, wird zu den
Luftablasslöchern 16 der Trenneinrichtung 1B, 1C über den
Luftauslass 20 ausgestoßen. Die Luft wird aus der
Brennstoffzelle über den Luftablassverteiler 16M abgegeben.
Die Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 hat eine Belüftung, die
durch poröses Material ausgebildet wird. Die
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 wird benetzt, um die
elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle zu verbessern. Die
Benetzung vergrößert die Belüftung der
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4. Da der
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a, der von dem
Elektrodenkontaktabschnitt 4b der
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 vorsteht, vollständig von
der Dichtung 7 umhüllt ist und keinen direkten Kontakt mit dem
Gas hat, tritt das Brennstoffgas oder die Luft nicht aus der
Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 aus. Da die
Feststoffpolymerelektrolytmembran keinen Gasverlust hat, wird
der Gasverlust verringert und die Fähigkeit der Stromerzeugung
der Brennstoffzelle wird verbessert.
Da die Dichtung in einer Einheit in dem ersten
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ausgebildet ist, wird kein
Spalt ausgebildet; als Folge wird das Fluid (das Brennstoffgas,
die Luft und das Kühlwasser) vollständig abgedichtet. Außerdem
werden die Zusammenbaukosten reduziert, da die Dichtung mit nur
einem Schritt, wie zum Beispiel Spritzgießen, ausgebildet wird.
Fig. 5 zeigt die Schnittansicht einer Elektrodeneinheit 3A eines
zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die gleichen
Bezugszeichen werden an identischen Elementen oder Teilen des
ersten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung angeordnet und auf
deren Erklärung wird verzichtet. Obwohl der Aufbau einer
Dichtung 31 identisch mit der Dichtung 7 des ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung hinsichtlich der Erscheinung
ist, ist der Abschnitt, der den
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a umhüllt, in
zwei Teile an der Fläche des
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitts 4a geteilt.
Die Dichtung 31 ist durch festes Verbinden eines
Dichtungselements 31a und 31b mit einem
Epoxidharzverbindungsmittel aufgebaut. Der
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a ist in
Verbindung mit dem Dichtungselement 31a und 31b umhüllt. Das
Dichtungselement 31a ist etwas größer als der
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a.
Das Dichtungselement 31b hat die Brennstoffgaszufuhrlöcher 13,
die Brennstoffgasablasslöcher 9, die Luftzufuhrlöcher 15, die
Luftablasslöcher 16, die Kühlwasserzufuhrlöcher 17 und die
Kühlwasserablasslöcher 18. Das Dichtungselement 31b beinhaltet
ein an einen L-förmigen Abschnitt angepasstes Dichtungselement
31a. Der wulstförmige vorstehende Abschnitt 21, der das
Brennstoffgas, die Luft und das Kühlwasser abdichtet, ist an dem
Dichtungselement 31b angeordnet.
Da der Abschnitt, der den
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a in dem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei Teile geteilt
ist, wird der Schritt zum Einhüllen des
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitts 4a durch
Zementieren bzw. Verkleben einfacher. Der Zusammenbauschritt
erfordert keine großen Vorrichtungen, wie zum Beispiel die
Spritzgießvorrichtung. Die Verklebung zwischen dem
Dichtungselement 31a und 31b wird durch die Klebkraft zwischen
dem Gummielement und der Feststoffpolymerelektrolytmembran
gestützt, das in dem Gummielement 31a und 31b ohne Verwendung
des Klebstoffs verwendet wird.
Fig. 6 zeigt die Schnittansicht einer Elektrodeneinheit 3B eines
dritten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung. Die gleichen
Bezugszeichen sind an den Komponenten angeordnet, die identisch
mit jenen des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind und
auf die Erklärung wird verzichtet. Obwohl die Dichtung 32
identisch mit der Dichtung 3 des ersten Ausführungsbeispiels
dieser Erfindung hinsichtlich der Erscheinung ist, ist sie in
zwei Teile an der Fläche der Feststoffpolymerelektrolytmembran
geteilt.
Die Dichtung 32 ist durch Zementieren bzw. Verkleben des
Dichtungselements 32a und 32b mit dem Epoxidharzklebstoff
aufgebaut. Der Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt
4a ist durch den inneren Umfang der Dichtungselemente 32a und
32b umhüllt. Die Dichtungselemente 32a und 32b sind durch
vollständiges Teilen der Dichtung 32 in zwei Teile an der Fläche
der Feststoffpolymerelektrolytmembran aufgebaut.
Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird
der Schritt des Zusammenbauens durch Verbinden einfacher, da der
Abschnitt, der den
Feststoffpolymerelektrolytmembrangrenzabschnitt 4a umhüllt,
geteilt ist. Der Schritt erfordert keine Verwendung von großen
Vorrichtungen, wie zum Beispiel die Spritzgießvorrichtung. Da
die Dichtung mit zwei vollständigen Abschnitten aufgebaut ist,
wird der Schritt des Verbindens vereinfacht. Die Verklebung
zwischen der Dichtung 32a und 32b wird durch die Haftkraft
zwischen dem Gummielement und der
Feststoffpolymerelektrolytmembran gestützt, das als das
Dichtungselement 31a und 31b verwendet wird.
Fig. 7 zeigt die Schnittansicht einer Elektrodeneinheit 3C eines
vierten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung. Die Unterschiede
zwischen dem vierten Ausführungsbeispiel und dem ersten
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung liegen darin, dass eine
Dichtung des vierten Ausführungsbeispiels mit einem
Verstärkungsabschnitt 33a, einem Deckel eines
Brennstoffgaseinlasses 10a, einem Deckel eines
Brennstoffgasauslasses 12a, einem Deckel eines Lufteinlasses 19a
und einem Deckel eines Luftauslasses 20a vorgesehen ist. Die
identischen Bezugszeichen werden an den anderen Komponenten
angeordnet, die mit jenen des ersten Ausführungsbeispiels
identisch sind.
Der Verstärkungsabschnitt 33a ist an dem Umfang einer Dichtung
33 des vierten Ausführungsbeispiels vorgesehen. In dem
Verstärkungsabschnitt 33a ist ein Verstärkungselement 22, das
aus Edelstahldraht hergestellt ist, durchgängig eingebettet,
sodass das Verstärkungselement 22 den Umfang der Dichtung 33
umringt.
Da die Gestalt der Dichtung 33 durch das Verstärkungselement 22
erhalten wird, wird eine Handhabung beim Zusammenbau einfacher,
kann die Zusammenbauzeit reduziert werden und kann die
Kostenreduzierung der Herstellung der Brennstoffzelle erzielt
werden. Wenn die Dichtung als die Elektrodeneinheit 3C gelagert
wird, schützt das Verstärkungselement 22 die Dichtung 33 davor,
dass sie verbogen wird und verhindert die Verformung des
abgedichteten Abschnitts.
Das Material des Verstärkungselements 22 ist nicht auf den
Edelstahldraht beschränkt. Jeder Metalldraht mit einer
Steifigkeit ist anwendbar. Die Form des Verstärkungselements 22
ist nicht auf den Draht beschränkt. Eine dünne rechteckige
Platte ist anwendbar. Das Verstärkungselement 22 ist nicht
notwendigerweise durchgängig eingebettet. Ein unterbrochen
eingebettetes Verstärkungselement 22 ist anwendbar, wenn es so
angeordnet ist, dass es den Umfang der Dichtung 33 umringt und
die Feststoffpolymerelektrolytmembran 4 einschließt. Da der oben
erwähnte einfache Aufbau die gesamte Dichtung verstärken kann,
kann eine hohe Verstärkungswirkung und die Kostenreduzierung
erzielt werden.
Der Deckelabschnitt 19a des Lufteinlasses 19 und der
Deckelabschnitt 20a des Luftauslasses 20 sind mit der Dichtung
33 mit dem Epoxidharzklebstoff verklebt. Der Deckelabschnitt 12a
des Brennstoffgaseinlasses 12 und der Deckelabschnitt 10a des
Brennstoffgasauslasses 10 (nicht gezeigt) sind mit der Dichtung
33 mit dem Epoxidharzklebstoff verklebt.
Da das Anordnen oder Platzieren der Deckelabschnitte 10a, 12a,
19a und 20a an der Dichtung 33 gleichzeitig mit dem Zusammenbau
der Elektrode in dem vierten Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung durchgeführt wird, kann die Zusammenbauzeit reduziert
werden und die Kostenreduzierung erzielt werden.
Es ist beabsichtigt, dass die vorangehende genaue Beschreibung
eher als darstellend als als begrenzend betrachtet wird, und
dass es verständlich ist, dass mit den folgenden Ansprüchen
beabsichtigt ist, alle Abwandlungen abzudecken, um den
Anwendungsbereich der Erfindung zu definieren.
Die Brennstoffzelle ist vorgesehen, welche einen geringeren
Gasverlust, keine Verformung der Elektroden und niedrige
Herstellungskosten aufweist. Die Brennstoffzelle hat die
Feststoffpolymerelektrolytmembran (4), die eine größere Fläche
als die Elektroden hat, die durch zwei Elektroden schichtweise
angeordnet ist, und eine Dichtung (7), die den äußeren Umfang
der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der von dem
Elektrodenkontaktabschnitt (4b) vorsteht.
Claims (11)
1. Brennstoffzelle mit:
einer Oxidationsmittelelektrode (5);
einer Brennstoffelektrode (6);
einer Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) mit einer größeren Fläche als der der Oxidationsmittel- und Fluidelektroden, wobei sie schichtweise durch die zwei Elektroden angeordnet ist; und
einer Dichtung (7), die einen äußeren Umfangsabschnitt der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der von dem Elektrodenkontaktabschnitt (4b) vorsteht.
einer Oxidationsmittelelektrode (5);
einer Brennstoffelektrode (6);
einer Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) mit einer größeren Fläche als der der Oxidationsmittel- und Fluidelektroden, wobei sie schichtweise durch die zwei Elektroden angeordnet ist; und
einer Dichtung (7), die einen äußeren Umfangsabschnitt der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der von dem Elektrodenkontaktabschnitt (4b) vorsteht.
2. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verstärkungselement (22) an dem Umfang der Dichtung
angeordnet ist.
3. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
Zufuhrlöcher (13, 15, 17) und Ablasslöcher (14, 16, 18) für
einen Fluidstrom des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und
des Kühlwassers an der Dichtung vorgesehen sind.
4. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein wulstförmiger vorstehender Abschnitt (21), der zumindest
entweder den Elektrodenkontaktabschnitt, die Zufuhrlöcher oder
die Ablasslöcher einschließt, an der Dichtung angeordnet ist.
5. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verstärkungselement (22) entweder einen Metalldraht oder
eine rechteckige ebene Platte aufweist, welche in der Dichtung
eingebettet ist, die die Feststoffpolymerelektrolytmembran (4)
vollständig oder teilweise einschließt.
6. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichtung aus einem elastischen Material hergestellt ist und
die Dichtung und der vorstehende Abschnitt (21) als eine Einheit ausgebildet sind.
die Dichtung aus einem elastischen Material hergestellt ist und
die Dichtung und der vorstehende Abschnitt (21) als eine Einheit ausgebildet sind.
7. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
einer der wulstförmigen vorstehenden Abschnitte, der den
Elektrodenkontaktabschnitt (4b) einschließt, an der inneren
Seite des Umfangs der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4)
angeordnet ist.
8. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichtung (7) als eine Einheit ausgebildet ist.
9. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Abschnitt, der den Umfang der
Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) an der Dichtung (7)
bedeckt, in zwei Abschnitte an der Fläche der
Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) geteilt ist.
10. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gesamte Dichtung (7) in zwei Abschnitte an der Fläche
der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) geteilt ist.
11. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest entweder die Deckelabschnitte eines Gaseinlasses
(10a, 19a) oder eines Gasauslasses (12a, 20a), die das
Brennstoffgas und das Oxidationsgas jeweils aus den
Zufuhrlöchern und den Ablasslöchern des Brennstoffgases und des
Oxidationsgases zu den Elektroden zuführen und ablassen, mit der
Dichtung verbunden ist.
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