DE10048331B4

DE10048331B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10048331B4
Application number: DE10048331A
Authority: DE
Inventors: Teruo Maruyama; Hiroshi Kariya Okazaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP4576646B2; JP2001102072A; US6610435B1; DE10048331A1

Abstract

Brennstoffzelle mit:
(a) einer Oxidationsmittelelektrode (5);
(b) einer Brennstoffelektrode (6);
(c) einer Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) mit einer größeren Fläche als die der Oxidationsmittel- und Brennstoffelektroden, wobei sie schichtweise zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist;
(d) einer Dichtung (7, 31, 32, 33), die den gesamten äußeren Umfangsabschnitt der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der über den Elektrodenkontaktabschnitt (4b) hervorsteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
(e) die Dichtung (7, 31, 32, 33) mit Zufuhrlöchern (13, 15, 17) und Ablasslöchern (14, 16, 18) für einen Fluidstrom des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und des Kühlwassers in der Dichtung gebildet ist;
(f) die Dichtung (7, 31, 32, 33) mindestens einen wulstförmigen vorstehenden Abschnitt (21), der zumindest entweder den Elektrodenkontaktabschnitt, die Zufuhrlöcher oder die Ablasslöcher einschließt, aufweist, wobei die Feststoffpolymerelektrolytmembran (4), die Elektroden (5, 6) und die Dichtung (7, 31, 32, 33) als eine Einheit aufgebaut sind.

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 über die Feststoffpolymerelektrolytmembran geführt, um den Oxidationsmittelelektrodenkatalysator zu erreichen und Wasser durch Reaktion der Wasserstoffionen mit dem Oxidationsgas zu erzeugen. 4H⁺ + 4e^– + O₂ → 2H₂O
Es ist erforderlich, dass dem Katalysator viel Gas zugeführt 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.

DE 197 13 250 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit Fluid-Rohrverteiler-Öffnungen 30, 32 und 36, die in der Membranelektrodeneinheit 5 gebildet sind, wobei ein Klebemittel 50 zum Verbinden der Membranelektrodeneinheit mit dessen benachbarten Trennplatten verwendet wird. Das Bindemittel stellt eine gas- und luftdichte Versiegelung zur Verfügung.

DE 199 60 516 A1 offenbart eine Brennstoffzelle, in der das Versiegelungselement 150 den durch Trennplatten gebildeten Kühlmittelweg (nicht gezeigt) versiegelt. Genauer ist das Versiegelungselement 150 an der Seite der Trennwand 132 angeordnet. Das Versiegelungselement 150 besteht außerdem aus zwei separaten Teilen mit verschiedenen Elastizitätskoeffizienten.

WO 92/22096 offenbart Dichtungen für Brennstoffzellen, wobei ein Aufbau vorgeschlagen wird, bei dem eine zwischen den Elektroden vorstehende Membran von einer Dichtung von drei Seiten umschlossen wird.

Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle mit einem verbesserten Abdichtungsaufbau der Brennstoffzellenelektrode mit einem geringeren Gasverlust ohne Verformung der Elektrode und mit niedrigen Herstellungskosten bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch Bereitstellen einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Wirkungen des technischen Mittels der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 Brennstoffzelle dieser Erfindung weist jeweils Zuführlöcher und Ablasslöcher zum Leiten des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und des Kühlwassers in der Dichtung auf.

Die Wirkung des oben erwähnte technischen Mittels bei der Brennstoffzelle dieser Erfindung ist die folgende. Die Brennstoffzelle mit der Dichtung zwischen den Trenneinrichtungen, einem Zuführverteiler und einem Ablassverteiler, die mit den Zufuhrlöchern und den Ablasslöchern in der Dichtung in Verbindung stehen, 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 einer Brennstoffzelle dieser Erfindung weist einen wulstförmigen vorstehenden Abschnitt auf, der zumindest entweder den Elektrodenkontaktabschnitt, die Zuführlöcher oder die Ablasslöcher in der Dichtung einschließt.

Die Wirkung des oben erwähnten technischen Mittels der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung 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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung schließt die Dichtung ein, die als eine Einheit ausgebildet ist.

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 der Brennstoffzelle dieser Erfindung ist es, dass der Abschnitt der Dichtung, der den Umfangsabschnitt der Feststoffpolymerelektrolytmembran bedeckt, an der Dichtung in zwei Abschnitte an der Fläche der Feststoffpolymerelektrolytmembran geteilt ist.

Die Teilung des die Feststoffpolymerelektrolytmembran bedeckenden Abschnitts ermöglicht ein Bedecken mit Klebstoff.

Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels der Brennstoffzelle dieser Erfindung beinhaltet, dass die gesamte Dichtung in zwei Teile an der Fläche der Feststoffpolymerelektrolytmembran geteilt ist.

Ein weiterer Gesichtspunkt des technischen Mittels der Brennstoffzelle dieser Erfindung beinhaltet, dass zumindest entweder die Deckelabschnitte eines Gaseinlasses, die das Brennstoffgas und das Oxidationsgas jeweils durch die Zuführlöcher für das Brennstoffgas und das Oxidationsgas den Elektroden zuführen oder die Deckelabschnitte eines Gasauslasses, die das Brennstoffgas und das Oxidationsgas jeweils durch die Ablasslöcher für das Brennstoffgas und für das Oxidationsgas aus den Elektroden ablassen, mit der Dichtung fluiddicht verbunden oder angebracht sind.

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.
1 ist eine Teilschnittansicht, die eine Brennstoffzelle eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung darstellt;
2 ist eine Vorderansicht einer Trenneinrichtung 1A und einer Trenneinrichtung 1B des ersten Ausführungsbeispiels aus der Richtung einer Brennstoffzellenelektrodenseite betrachtet;
3 ist eine Vorderansicht einer Trenneinrichtung 1B und einer Trenneinrichtung 1C des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung aus der Richtung einer Oxidationselektrodenseite betrachtet;
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;
5 zeigt eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit eines zweiten Ausführungsbeispiels;
6 zeigt eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit eines dritten Ausführungsbeispiels; und
7 zeigt eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit eines vierten Ausführungsbeispiels.
Die Ausführungsbeispiele der Brennstoffzelle dieser Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben. 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 über den 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.
2 zeigt eine Vorderansicht der Trenneinrichtungen 1A und 1B des ersten Ausführungsbeispiels von der Seite der Brennstoffelektrode 6 betrachtet. 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 2 ist die Umfangsvertiefung 8a an der Trenneinrichtung 1A und die Umfangsvertiefung 8c an der Trenneinrichtung 1B angeordnet. In 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.
4(a) zeigt eine Vorderansicht der Elektrodeneinheit 3 des ersten Ausführungsbeispiels von der Seite der Luftzufuhrleitung 11b betrachtet. 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 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.
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.
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 7 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.
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.
Die vorgesehene Brennstoffzelle weist einen geringeren Gasverlust, keine Verformung der Elektroden und niedrige Herstellung kosten auf. Die Brennstoffzelle weist eine Feststoffpolymerelektrolytmembran (4), die eine größere Fläche als die Elektroden hat, die zwischen zwei Elektroden schichtweise angeordnet ist, und eine Dichtung (7), die den äußeren Umfang der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der über den Elektrodenkontaktabschnitt (4b) vorsteht, auf.

Claims

Brennstoffzelle mit: (a) einer Oxidationsmittelelektrode (5); (b) einer Brennstoffelektrode (6); (c) einer Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) mit einer größeren Fläche als die der Oxidationsmittel- und Brennstoffelektroden, wobei sie schichtweise zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist; (d) einer Dichtung (7, 31, 32, 33), die den gesamten äußeren Umfangsabschnitt der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, der über den Elektrodenkontaktabschnitt (4b) hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Dichtung (7, 31, 32, 33) mit Zufuhrlöchern (13, 15, 17) und Ablasslöchern (14, 16, 18) für einen Fluidstrom des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und des Kühlwassers in der Dichtung gebildet ist; (f) die Dichtung (7, 31, 32, 33) mindestens einen wulstförmigen vorstehenden Abschnitt (21), der zumindest entweder den Elektrodenkontaktabschnitt, die Zufuhrlöcher oder die Ablasslöcher einschließt, aufweist, wobei die Feststoffpolymerelektrolytmembran (4), die Elektroden (5, 6) und die Dichtung (7, 31, 32, 33) als eine Einheit aufgebaut sind.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungselement (22) in dem Umfang der Dichtung (33) angeordnet ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (22) entweder einen Metalldraht oder eine rechteckige ebene Platte aufweist, welche in der Dichtung (33) eingebettet ist, die die Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) vollständig oder teilweise einschließt.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (7, 31, 32, 33) aus einem elastischen Material hergestellt ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der wulstförmigen vorstehenden Abschnitte (21), der den Elektrodenkontaktabschnitt (4b) einschließt, weiter innen als der Grenzumfang der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) angeordnet ist.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (7) einstückig ausgebildet ist.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Dichtung (31), der den Umfang der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) bedeckt, in zwei Abschnitte (31a und 31b) an der Fläche der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) geteilt ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Dichtung (31) in zwei Abschnitte an der Fläche der Feststoffpolymerelektrolytmembran (4) geteilt ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest entweder die Deckelabschnitte eines Gaseinlasses (10a, 19a), die das Brennstoffgas und das Oxidationsgas jeweils durch die Zufuhrlöcher für das Brennstoffgas und das Oxidationsgas den Elektroden zuführen oder die Deckelabschnitte eines Gasauslasses (12a, 20a), die das Brennstoffgas und das Oxidationsgas jeweils durch die Ablasslöcher für das Brennstoffgas und das Oxidationsgas aus den Elektroden ablassen, mit der Dichtung (7, 31, 32, 33) verbunden sind.