DE10121176A1 - Brennstoffzelle, die ein Dichtmittel aufweist, um eine Festpolymerelektrolytmembran abzudichten - Google Patents
Brennstoffzelle, die ein Dichtmittel aufweist, um eine Festpolymerelektrolytmembran abzudichtenInfo
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Abstract
Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Membranelektrodenanordnung, die eine Festpolymerelektrolytmembran, eine Anodenseitendiffusionselektrode (eine Anodenelektrode und eine zweite Diffusionsschicht), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (eine Kathodenelektrode und eine erste Diffusionsschicht), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; ein Paar Abstandhalter, welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen; ein hervortretender Teil, der sich von der Festpolymerelektrolytmembran ausdehnt und der von den Rändern der Anodenseitendiffusionselektrode und der Kathodenseitendiffusionselektrode hervortritt; und eine Abdichtung, die auf den Abstandhaltern bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war. Die Abdichtung kommt mit dem hervortretenden Teil in Kontakt, während die Membranelektrodenanordnung zwischen den Abstandhaltern angeordnet ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend eine
Membranelektrodenanordnung, die eine Festpolymerelektrolytmembran, eine
Anodenseitengasdiffusionselektrode, die auf einer Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist und eine
Kathodenseitengasdiffusionselektrode, die auf der anderen Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist und ein Paar von Abstandhaltern
(Separatoren), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, aufweist;
und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, bei der die
Membranelektrodenanordnung zuverlässig zwischen den Abstandhaltern
abgedichtet werden kann und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, bei der die
Ränder der Öffnungen für ein Brenngas, für ein Oxidationsgas und für ein
Kühlmedium zuverlässig abgedichtet werden können und ein Verfahren zur
Herstellung derselben.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel,
dessen Brennstoffzelleneinheiten leicht ersetzt werden können.
Bei herkömmlichen Brennstoffzellen umfasst die Membranelektrodenanordnung
eine Festpolymerelektrolytmembran und eine Anodenseitendiffusionselektrode
und eine Kathodenseitendiffusionselektrode, die auf beiden Seiten der
Membran angeordnet sind. Die Membranelektrodenanordnung wird durch ein
Paar von Abstandhaltern aufgenommen. Durch das Zuführen von Brenngas
(zum Beispiel Wasserstoffgas) auf eine Reaktionsoberfläche der
Anodenseitendiffusionselektrode wird das Wasserstoffgas ionisiert und bewegt
sich durch die Festpolymerelektrolytmembran auf die
Kathodenseitendiffusionselektrode zu. Die in diesem Verfahren erzeugten
Elektronen werden an einen externen Stromkreis abgegeben und werden als
elektrische Energie eines Gleichstromes verwertet. Da Oxidationsgas (zum
Beispiel Luft, die Sauerstoff enthält) der Kathodenelektrode zugeführt wird,
wird Wasser durch die Reaktion der Wasserstoffionen, der Elektronen und des
Sauerstoffes generiert.
Ein Beispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 17 erläutert. In der Fig. 17
bezeichnet die Bezugszahl 1 die Festpolymerelektrolytmembran. Eine
Brennstoffzelle 4 ist so zusammengesetzt, dass die
Festpolymerelektrolytmembran 1 zwischen den Gasdiffusionselektroden (eine
Anodenseitendiffusionselektrode und eine Kathodenseitendiffusionselektrode) 2
und 3 aufgenommen wird. Plattenartige Dichtungen 5, die Öffnungen
aufweisen, welche den Reaktionsflächen der Brennstoffzelle 4 entsprechen,
werden auf beiden Seiten der Brennstoffzelle 4 bereitgestellt. Während die
Dichtungen 5 die Kanten der Brennstoffzelle 4 bedecken und die Kanten der
Brennstoffzelle 4 unter Verwendung von äusseren Druckvorrichtungen
zusammendrücken, wird die Brennstoffzelle 4 zwischen zwei Abstandhaltern 7
aufgenommen (offenbart in der ungeprüften Japanischen Patentanmeldung,
erste Veröffentlichungsnr. Hei 6-325777).
In der oben erwähnten, herkömmlichen Brennstoffzelle, trennen die Dichtungen
5 die Räume zwischen den Abstandhaltern 7 und den Gasdiffusionselektroden
2 und 3 gegen aussen ab. Darum verhindert diese Brennstoffzelle
vorteilhafterweise das Austreten des Brenngases und des Oxidationsgases und
verhindert die Vermischung dieser Gase, um dadurch eine wirksame Erzeugung
von elektrischer Leistung zu erreichen. Unterschiede in der Dicke der
Abstandhalter 7 und 8 und der Gasdiffusionselektroden 2 und 3 sind
unvermeidbar. Darum ist die Reaktionskraft, die durch die Dichtungen erzeugt
wird, nicht einheitlich, wenn die Dichtungen 5, die unterschiedliche Dicken
aufweisen, mit den Abstandhaltern 7 und den Gasdiffusionselektroden 2 und 3
kombiniert werden. Deshalb besteht das Problem, dass die Abdichtung
zwischen den Abstandhaltern 7 und den Gasdiffusionselektroden 2 und 3 nicht
einheitlich ist.
Desweiteren weist die Brennstoffzelle ein internes Verteilerstück zum Zuführen
von Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zur
Anodenseitendiffusionselektrode und zur Kathodenseitendiffusionselektrode
auf. Das interne Verteilerstück weist einige Öffnungen durch die Abstandhalter
auf.
Ein Beispiel der herkömmlichen Technik wird unter Bezugnahme auf Fig. 32
erläutert. Die Bezugszahl 201 bezeichnet eine Festpolymerelektrolytmembran.
Die Brennstoffzelle 204 ist so zusammengesetzt, dass die
Festpolymerelektrolytmembran 201 durch Gasdiffusionselektroden (eine
Anodenseitendiffusionselektrode und eine Kathodenseitendiffusionselektrode)
202 und 203 aufgenommen wird. Die Brennstoffzelle 204 wird zwischen den
Abstandhaltern 205 und 205 aufgenommen.
Die Öffnungen 206, die das interne Verteilerstück bilden, werden an den
Rändern der Abstandhalter 205, welche die Brennstoffzelle 204 aufnehmen,
gebildet. Das Oxidationsgas oder das Brenngas, das von den Öffnungen 206
zugeführt wird, erreicht die Reaktionsoberflächen der entsprechenden
Brennstoffzellen 204.
Um die Ränder der Öffnungen 206 abzudichten, wird eine Abdichtung 207
zwischen die Abstandhalter 205 eingesetzt und kommt in Kontakt mit den
Rändern der Öffnungen 206 (offenbart in der ungeprüften Japanischen
Patentanmeldung, erste Veröffentlichungsnr. Hei 6-96783 und dem U. S.
Patent Nr. 4,510,213).
Die oben erwähnte Brennstoffzelle weist Probleme insofern auf, dass der
Oberflächendruck der Abdichtung 207 in den Rändern der Öffnungen der
Abstandhalter 205 variiert und dass eine partielle Biegespannung in den
Rändern der Öffnungen wirkt.
Eine andere herkömmliche Brennstoffzelle wird unter Bezugnahme auf Fig. 47
erläutert. In der Fig. 47 bezeichnet die Bezugszahl 301 eine
Festpolymerelektrolytmembran 301. Die Brennstoffzelle 304 ist so
zusammengesetzt, dass die Festpolymerelektrolytmembran 301 durch
Gasdiffusionselektroden (eine Anodenseitendiffusionselektrode und eine
Kathodendiffusionselektrode) 302 und 303 aufgenommen wird. Die
Brennstoffzellen 304 werden über Kohleplatten 305, die in den Rändern
derselben angeordnet sind, durch die Abstandhalter 306 und 306
aufgenommen. Die Brennstoffzelleneinheiten sind so zusammengesetzt, dass
die Abstandhalter 306 mit den Brennstoffzellen 304 durch eine zweiseitige
Klebefolie 307 verbunden sind und die Brennstoffzelleneinheiten sind gestapelt,
um den Brennstoffzellenstapel herzustellen (offenbart in der ungeprüften
Japanischen Patentanmeldung, erste Veröffentlichungsnr. Hei 9-289029).
Dies bedeutet, dass die Brennstoffzellen 304 und die Abstandhalter 306 über
die zweiseitige Klebefolie 307 verbunden sind und die Brennstoffzellen werden
so zusammengesetzt. Dann werden die Brennstoffzelleneinheiten gestapelt.
Dies stellt jedoch insofern ein Problem dar, als dass die zweiseitige Klebefolie
307 herausgelöst werden muss, wenn entweder die
Festpolymerelektrolytmembran 301 oder die Abstandhalter 306 ersetzt werden
müssen und dies stellt einen grossen Arbeitsaufwand dar.
Desweiteren könnten andere als die ersetzten Komponenten deformiert
werden, wenn die zweiseitige Klebefolie 307 herausgelöst wird.
Es ist darum ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle,
welche die Abdichtung zwischen der Membranelektrodenanordnung und den
Abstandhaltern verbessern kann und ein Verfahren zur Herstellung derselben,
bereitzustellen.
Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffzelle: eine
Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran
(18), eine Anodenseitengasdiffusionselektrode (eine Anodenelektrode 22 und
eine zweite Gasdiffusionsschicht 26), die auf einer Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist und eine
Kathodenseitengasdiffusionselektrode (eine Kathodenelektrode 20 und eine
erste Gasdiffusionsschicht 24), die auf der anderen Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; ein Paar
Abstandhalter (14 und 16), welche die Membranelektrodenanordnung
aufnehmen; einen hervortretenden Teil (18a), der sich von der
Festpolymerelektrolytmembran ausdehnt und der von den Rändern der
Anodenseitendiffusionselektrode und der Kathodenseitendiffusionselektrode
hervortritt; und eine Abdichtung, bereitgestellt auf den Abstandhaltern, die zum
Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel (S) war. Das Dichtmittel
kommt mit dem hervortretenden Teil in Kontakt, während die
Membranelektrodenanordnung zwischen den Abstandhaltern angeordnet ist.
In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird die Abdichtung in
Vertiefungen (28), die im Abstandhalter gebildet werden, bereitgestellt.
Gemäss dem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kommt das
flüssige Dichtmittel (was einem flüssigen oder gelartigen Dichtmittel entspricht)
in direkten Kontakt mit dem hervortretenden Teil, der am Rand der
Festpolymerelektrolytmembran bereitgestellt wird, wird zwischen der
Festpolymerelektrolytmembran und den Abstandhaltern zusammengedrückt,
passt sich an die verschiedenen Grössen der Abdichtungsbereiche an und hält
die Gasundurchlässigkeit zwischen der Festpolymerelektrolytmembran und den
Abstandhaltern aufrecht. Darum ist die Reaktionskraft, die durch die
Abdichtung hervorgerufen wird, einheitlich über den Rand zwischen den
Abstandhaltern und der Membranelektrodenanordnung, wodurch die
Abdichtung einheitlich wird. Die Herstellungsgrössen der Abstandhalter und der
Membranelektrodenanordnung in Bezug auf die Dicke müssen nicht genau
kontrolliert werden. Die Handhabung der Genauigkeit bezüglich der Grösse ist
einfach und die Herstellungskosten können reduziert werden.
Das flüssige Dichtmittel gleicht weiter die Grössenunterschiede der
Abdichtungsbereiche zwischen den Abstandhaltern und dem hervortretenden
Teil der Festpolymerelektrolytmembran aus und verhindert dadurch, dass
Partialkräfte auf die Abstandhalter einwirken. Die Abstandhalter können darum
dünn sein, die Brennstoffzelle kann leicht sein und die Grösse der
Brennstoffzelle kann verringert werden. Die erfindungsgemässe Brennstoffzelle
ist geeignet für ein Vehikel, in dem der Raum für die Brennstoffzelle begrenzt
ist und in welchem es für die Abstandhalter erwünscht ist, so dünn wie
möglich zu sein.
In dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Breite e des
hervortretenden Teiles gleich oder grösser als 3/2 × C, wenn der Durchmesser
des aufgetragenen flüssigen Dichtmittel C beträgt.
Gemäss dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, zusätzlich zu den
obigen Effekte, die Breite des hervortretenden Teiles der
Festpolymerelektrolytmembran minimal sein, während eine zuverlässige
Abdichtung erreicht wird. Das heisst, dass der vortretende Teil, der nicht zur
Reaktion der Gase beiträgt, minimiert werden kann, während die Abdichtung
verbessert wird.
Im vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser des
aufgetragenen Dichtmittel gleich oder grösser als 0,9 mm.
Gemäss dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist die Breite des
Kontaktes des flüssigen Dichtmittels für die Herstellung der Brennstoffzelle
geeignet und der Herstellungsprozess kann vereinfacht werden.
Es ist darum ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle,
bei der es möglich ist, die Abdichtung in den Rändern der Öffnung des
Abstandhalters zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung derselben,
bereitzustellen.
In dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffzelle:
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine
Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode
(eine Anodenelektrode 22 und eine zweite Diffusionsschicht 26), die auf einer
Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist und eine
Kathodenseitendiffusionselektrode (eine Kathodenelektrode 20 und die erste
Diffusionsschicht 24), die auf der anderen Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; ein Paar
Abstandhalter (14 und 16), welche die Membranelektrodenanordnung
aufnehmen, wobei jeder der Abstandhalter eine Öffnung (36a, 38a, 40a, 40b,
36b oder 38b) für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas,
Oxidationsgas und Kühlmedium zur oder aus der
Membranelektrodenanordnung, aufweist; eine Abdichtung, die zum Zeitpunkt
der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel (SA1) war, das die hervortretenden
Öffnungen der Abstandhalter umgibt, wobei die Abdichtung auf einem
Abstandhalter in Kontakt mit der Abdichtung auf dem anderen Abstandhalter
kommt, um den Rand der Öffnung abzudichten.
In dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung, weisen die Abstandhalter
Vertiefungen (30) auf, welche die Öffnungen umgeben und die Abdichtung
wird in den Vertiefungen bereitgestellt.
Gemäss dem fünften und sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kommt
die Abdichtung in direkten Kontakt mit dem hervortretenden Teil, der am Rand
der Festpolymerelektrolytmembran 18 bereitgestellt wird, wird zwischen den
Abstandhaltern zusammengedrückt, passt sich an die verschiedenen Grössen
der Abdichtungsbereiche an und hält die Gasundurchlässigkeit in den Rändern
der Öffnungen aufrecht. Darum ist die Reaktionskraft, die durch die Abdichtung
hervorgerufen wird, einheitlich über die Ränder der Öffnungen, wodurch die
Abdichtung einheitlich gemacht wird. Die Herstellungsgrössen der
Abstandhalter in der Richtung der Dicke müssen nicht genau kontrolliert
werden. Die Handhabung der Genauigkeit bezüglich der Grösse ist einfach und
die Herstellungskosten können reduziert werden.
Im siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffzelle: eine
Membranelektrodenanordnung, die eine Festpolymerelektrolytmembran, eine
Anodenseitendiffusionselektrode, die auf einer Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist und eine
Kathodenseitendiffusionselektrode, die auf der anderen Seite der
Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; ein Paar
Abstandhalter, welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei
jeder der Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines
ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zur oder aus der
Membranelektrodenanordnung, aufweist; und eine Abdichtung, die zum
Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, das die Öffnungen
eines der Abstandhalter umgibt und die in Kontakt mit dem anderen
Abstandhalter kommt, um die Ränder der Öffnung abzudichten.
Im achten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einer der Abstandhalter
eine Vertiefung auf, welche die Öffnung umgibt und die Abdichtung wird in
den Vertiefungen bereitgestellt.
Die siebten und achten Aspekte der vorliegenden Erfindung erreichen die
gleichen Effekte wie diejenigen der fünften und sechsten Aspekte und reduziert
die Herstellungskosten, weil das flüssige Dichtmittel und die Vertiefung nur auf
einem Abstandhalter bereitgestellt werden.
Es ist darum ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen
Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, dessen Brennstoffzelleneinheiten einfach
ersetzt werden können.
Im neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung, weist der
Brennstoffzellenstapel (N) mehrere Brennstoffzelleneinheiten (10) auf. Jede der
Brennstoffzelleneinheiten (10) umfasst: eine Membranelektrodenanordnung
(12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine
Anodenseitendiffusionselektrode (eine Anodenelektrode 22 und eine zweite
Diffusionsschicht 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran
angeordnet ist und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (eine
Kathodenelektrode 20 und eine erste Diffusionsschicht 24), die auf der anderen
Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; ein Paar
Abstandhalter (14 und 16), welche die Membranelektrodenanordnung
aufnehmen; eine klebende Abdichtung (SB), die zwischen den Abstandhaltern
bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel
war; und eine nicht-klebende Abdichtung (SB1 oder KS1), die zwischen dem
Abstandhalter einer Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter der anderen
Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt wird.
Im zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung war die nicht-klebende
Abdichtung ein flüssiges Dichtmittel zum Zeitpunkt der Auftragung.
Im elften Aspekt der vorliegenden Erfindung war die nicht-klebende Abdichtung
ein festes Dichtmittel zum Zeitpunkt der Auftragung.
Gemäss dem neunten und elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die
nicht-klebende Abdichtung zwischen den Abstandhaltern in den gestapelten
Brennstoffzelleneinheiten bereitgestellt. Deshalb kann jede
Brennstoffzelleneinheit einfach ausgebaut und wieder eingebaut werden, wenn
eine der Brennstoffzelleneinheiten ersetzt, wird. Daher ist die
Wiederaufbaubarkeit verbessert. Weil die klebende Abdichtung an die
Abstandhalter bindet, welche die Brennstoffzelle aufnehmen, wird verhindert,
dass die Membranelektrodenanordnung zufälligerweise während dem Abbauen
oder dem Aufbauen des Brennstoffzellenstapels getrennt wird. Desweiteren
wird verhindert, dass die Diffusionselektroden und die Abstandhalter
zufälligerweise getrennt werden.
Fig. 1 ist eine Explosions- und perspektivische Ansicht, die die erste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Ansicht, die einen ersten Abstandhalter der ersten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles B in Fig. 1 zeigt.
Fig. 4 ist eine Ansicht, die einen zweiten Abstandhalter der ersten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles C in Fig. 1 zeigt.
Fig. 5 ist eine Ansicht, die einen zweiten Abstandhalter der ersten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles D in Fig. 1 zeigt.
Fig. 6 ist eine vergrösserte Ansicht, die den Hauptteil von Fig. 2 zeigt.
Fig. 7 ist eine Ansicht, die die Festpolymerelektrolytmembran und das flüssige
Dichtmittel der ersten Ausführungsform zeigt.
Fig. 8 ist eine Ansicht, die die herkömmliche Technik zeigt.
Fig. 9 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 10 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 11 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 12 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 13 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 14 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 15 ist eine Ansicht, die einen Herstellungsschritt der ersten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 16 ist eine Ansicht, die eine Modifikation der vorliegenden Erfindung, die
der Fig. 6 entspricht, zeigt.
Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Technik zeigt.
Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht, die die zweite Ausführungsform zeigt, bei
der das flüssige Dichtmittel auf die Membranelektrodenanordnung aufgetragen
wird.
Fig. 19 ist eine Querschnittsansicht, die die zweite Ausführungsform zeigt, bei
der die Membranelektrodenanordnung durch die Abstandhalter aufgenommen
wird.
Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Gerät zeigt, das im Experiment
der zweiten Ausführungsform verwendet wurde.
Fig. 21 ist eine Ansicht, die das vorgegebene Gerät für das Experiment der
zweiten Ausführungsform zeigt.
Fig. 22 ist eine Ansicht, die das Experiment der zweiten Ausführungsform
zeigt.
Fig. 23 ist eine Explosions- und perspektivische Ansicht, die die dritte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 24 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der Fig. 23.
Fig. 25 ist eine Ansicht, die einen ersten Abstandhalter der ersten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles B in Fig. 23 zeigt.
Fig. 26 ist eine Ansicht, die einen zweiten Abstandhalter der ersten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles C in Fig. 23 zeigt.
Fig. 27 ist eine Ansicht, die einen zweiten Abstandhalter der ersten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles D in Fig. 23 zeigt.
Fig. 28 ist eine vergrösserte und Explosionsansicht, die den Hauptteil der
dritten Ausführungsform in Fig. 24 zeigt.
Fig. 29 ist eine vergrösserte Ansicht, die den Hauptteil der dritten
Ausführungsform der Fig. 24 zeigt.
Fig. 30 ist eine Ansicht, die das Experiment 1 der dritten Ausführungsform
zeigt.
Fig. 31 ist eine Ansicht, die das Experiment 2 der dritten Ausführungsform
zeigt.
Fig. 32 ist eine Querschnittsansicht, die die herkömmliche Technik zeigt.
Fig. 33 ist eine Anordnungsabbildung, die die vierte erfindungsgemässe
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 34 ist eine Explosions- und perspektivische Ansicht, die die vierte
Ausführungsform zeigt.
Fig. 35 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 34.
Fig. 36 ist eine Ansicht, die einen ersten Abstandhalter der vierten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles B in Fig. 34 zeigt.
Fig. 37 ist eine Ansicht, die einen zweiten Abstandhalter der vierten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles C in Fig. 34 zeigt.
Fig. 38 ist eine Ansicht, die einen zweiten Abstandhalter der vierten
Ausführungsform aus der Richtung des Pfeiles D in Fig. 34 zeigt.
Fig. 39 ist eine vergrösserte Ansicht, die den Hauptteil der Fig. 34 zeigt.
Fig. 40 ist eine Ansicht, die das erste Beispiel des Stapelns der Teile der
vierten Ausführungsform zeigt.
Fig. 41 ist eine Ansicht, die das zweite Beispiel des Stapelns der Teile der
vierten Ausführungsform zeigt.
Fig. 42 ist eine Ansicht, die das dritte Beispiel des Stapelns der Teile der
vierten Ausführungsform zeigt.
Fig. 43 ist eine Ansicht, die das vierte Beispiel des Stapelns der Teile der
vierten Ausführungsform zeigt.
Fig. 44 ist eine Ansicht, die das Experiment der vierten Ausführungsform
zeigt.
Fig. 45 ist eine Ansicht aus der Richtung des Pfeiles X in Fig. 12.
Fig. 46 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse des Experimentes der vierten
Ausführungsform zeigt.
Fig. 47 ist eine Querschnittsansicht, die die herkömmliche Technik zeigt.
Die erfindungsgemässen Ausführungsformen werden mit Bezugnahme auf die
Abbildungen erläutert.
Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die erfindungsgemässe
Brennstoffzelle zeigt. Die Brennstoffzelleneinheit 10 umfasst eine
Membranelektrodenanordnung 12 und erste und zweite Abstandhalter 16,
welche die Brennstoffzelle aufnehmen. Ein Brennstoffzellenstapel für ein
Vehikel wird durch Stapeln einer Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 10
zusammengesetzt.
Die Brennstoffzellenuntereinheit 12 umfasst eine
Festpolymerelektrolytmembran 18 und eine Kathodenelektrode 20 und eine
Anodenelektrode 22, die beide Seiten der Festpolymerelektrolytmembran 18
aufnehmen. Jede Kathodenelektrode 20 und jede Anodenelektrode 22 weist
eine erste Gasdiffusionsschicht 24 und eine zweite Gasdiffusionsschicht 26
auf, die beispielsweise aus porösem Kohlegewebe oder porösem Kohlepapier
hergestellt sind. Die Festpolymerelektrolytmembran 18 ist aus einem
Perfluorsulfonsäurepolymer hergestellt. Die Kathodenelektrode 20 und die
Anodenelektrode 22 sind aus Platin hergestellt. Eine
Kathodenseitendiffusionselektrode (Gaselektrode) umfasst die
Kathodenelektrode 20 und die erste Gasdiffusionsschicht 24, während eine
Anodenseitendiffusionselektrode (Gasdiffusionselektrode) die Anodenelektrode
22 und die zweite Gasdiffusionsschicht 24 umfasst.
Die Festpolymerelektrolytmembran 18 weist einen hervortretenden Teil auf, der
von den Kanten der Kathodenelektrode 20 und der Anodenelektrode 22,
welche die Festpolymerelektrolytmembran 18 aufnehmen, hervortritt. Ein
flüssiges Dichtmittel S, das auf die ersten und zweiten Abstandhalter 14 und
16 aufgetragen ist, die dem hervortretenden Teil 18a entsprechen, kommt mit
beiden Seiten des hervortretenden Teiles 18a in direkten Kontakt.
Wie in Fig. 3 gezeigt, weist der erste Abstandhalter 14 eine
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a am oberen rechten Ende von und dicht bei
der Kante des ersten Abstandhalters 14 auf, um einem Brenngas, wie einem
Gas, das Wasserstoff enthält, den Durchtritt zu ermöglichen und er weist eine
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a am oberen linken Ende von und dicht
bei der Kante des ersten Abstandhalters 14 auf, um einem Oxidationsgas, wie
ein Gas, das Sauerstoff oder Luft enthält, den Durchtritt zu ermöglichen.
Eine Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die einem Kühlmedium, wie reines
Wasser, Ethylenglycol oder Öl, den Durchtritt ermöglicht, wird am rechten
Ende in horizontaler Richtung und in der Mitte in vertikaler Richtung des ersten
Abstandhalters 14 bereitgestellt. Eine Kühlmediumseitenauslassöffnung 40b,
die den Durchtritt von gebrauchtem Kühlmedium ermöglicht, wird am linken
Ende in horizontaler Richtung und in der Mitte in vertikaler Richtung des ersten
Abstandhalters 14 bereitgestellt.
Eine Brenngasseitenauslassöffnung 36b, um den Durchtritt des Brenngases zu
ermöglichen, wird am unteren linken Ende von und dicht bei der Kante des
ersten Abstandhalters 14 bereitgestellt und ist in Bezug auf die
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a diagonal angeordnet. Eine
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b, um den Durchtritt des
Oxidationsgases zu ermöglichen, wird am unteren rechten Ende von und dicht
bei der Kante des ersten Abstandhalters 14 bereitgestellt und ist in Bezug auf
die Oxidationsgasseiteneinflussöffnung 38a diagonal angeordnet.
Wie in Fig. 1 gezeigt, werden mehrere beispielsweise sechs unabhängige erste
Oxidationsgaskanäle 42 auf einer Oberfläche 14a gegenüber der
Kathodenelektrode 20 des ersten Abstandhalters 14 gebildet. Sie beginnen um
die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a und verlaufen horizontal, während
sie sich in Richtung der Erdanziehung vertikal nach unten durchschlängeln.
Diese ersten Oxidationskanäle 42 verbinden sich mit drei zweiten
Oxidationsgaskanälen 44 und die zweiten Oxidationsgaskanäle 44 enden um
die Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b.
Wie in Fig. 3 gezeigt, weist der erste Abstandhalter 14 erste
Oxidationsgasverbindungsdurchtritte 46 auf, die durch den ersten
Abstandhalter 14 hindurchgehen, deren Enden mit der
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a auf einer Oberfläche 14b gegenüber der
Oberfläche 14a verbunden sind und deren andere Enden mit den ersten
Oxidationsgaskanälen 42 auf der Oberfläche 14a verbunden sind.
Der erste Abstandhalter 14 weist weiter zweite
Oxidationsgasverbindungsdurchtritte 48 auf, die durch den ersten
Abstandhalter 14 hindurchgehen, deren Enden mit der
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b auf der Oberfläche 14b verbunden sind
und deren andere Enden mit den zweiten Oxidationsgaskanälen 48 auf der
Oberfläche 14a verbunden sind.
Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt [weist der zweite Abstandhalter], eine
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, eine Oxidationsgasseiteneinlassöffnung
38a, eine Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, eine
Kühlmediumauslassöffnung 40b, eine Brenngasseitenauslassöffnung 36b und
eine Oxidationsgasauslassöffnung 38b auf, die an beiden Enden von und dicht
bei den Kanten des zweiten Abstandhalters 16, in einer ähnlichen Art und
Weise wie die Öffnungen des ersten Abstandhalters 14 angeordnet sind.
Mehrere erste Brenngaskanälen 60, beispielsweise sechs, sind auf einer
Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16 gebildet und sie beginnen um
die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a. Die ersten Brenngaskanäle 60 verlaufen
horizontal während sie sich in Richtung der Erdanziehung vertikal nach unten
durchschlängeln und verbinden sich mit drei zweiten Brenngaskanälen 62. Die
zweiten Brenngaskanäle 62 enden um die Brenngasseitenauslassöffnung 36b.
Der Abstandhalter 16 weist erste Brenngasverbindungsdurchtritte 64, welche
die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a auf der Oberfläche 16b mit den ersten
Brenngaskanälen 60 verbindet und zweite Brenngasverbindungsdurchtritte 66,
welche die Brenngasseitenauslassöffnung 36b auf der Oberfläche 16b mit den
zweiten Brenngaskanälen 62 verbindet, auf. Die Durchtritte 64 und 66
verlaufen durch den zweiten Abstandhalter.
Wie in den Fig. 2 und 5 gezeigt, werden mehrere Hauptkanälen 72a und 72b,
die als Kühlmediumkanäle dienen, auf der Oberfläche 16b des zweiten
Abstandhalters 16, innerhalb des Bereiches, der von dem flüssigen Dichtmittel
S umgeben ist, und dicht an der Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a und der
Kühlmediumseitenauslassöffnung 40b, gebildet. Mehrere Abzweigkanäle 74
zweigen von den Hauptkanälen 72a und 72b ab und erstrecken sich in
horizontaler Richtung.
Der zweite Abstandhalter 16 weist erste Kühlmediumverbindungsdurchtritte
76, welche die Kühlmediumseiteneinlassöffnung 70a mit den Hauptkanälen
72a verbinden und zweite Kühlmediumverbindungsdurchtritte 78, welche die
Kühlmediumauslassöffnung 40b mit den Hauptkanälen 72b verbinden, auf. Die
Durchtritte 76 und 78 verlaufen durch den zweiten Abstandhalter 16.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird eine Vertiefung 28 gegenüber der Anodenelektrode
22 auf der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16 gebildet, der die
Festpolymerelektrolytmembran 1 aufnimmt und entspricht dem hervortretenden
Teil 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18. Das flüssige Dichtmittel S wird
in die Vertiefung 28 gegeben. Desweiteren umgibt die Vertiefung 30 die
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a,
die Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, die Brenngasseitenauslassöffnung 36b und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b, die sich auf der Oberfläche 16a des
zweiten Abstandhalters 16 befinden. Das flüssige Dichtmittel S wird in die
Vertiefungen 30 gegeben. Die Vertiefungen 30 um die
Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a und die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, umgeben die ersten und zweiten Kühlmediumverbindungsdurchtritte 76
und 78.
Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die Vertiefungen 28 und 30 gegenüber der
Kathodenelektrode 20 auf der Oberfläche 14a des ersten Abstandhalters 14,
der die Brennstoffzellenuntereinheit 12 mit dem zweiten Abstandhalter 16
aufnimmt, gebildet und entsprechen den Vertiefungen 28 und 30 auf dem
zweiten Abstandhalter 16. Das flüssige Dichtmittel S wird in diese
Vertiefungen 28 und 30 gegeben. Wie in den Fig. 2 und 6 gezeigt, wird das
flüssige Dichtmittel S in die Vertiefungen 28 und 30 der ersten und zweiten
Abstandhalter 14 und 16, welche die Brennstoffzellenuntereinheit 12
aufnehmen, gegeben. Das flüssige Dichtmittel S in den Vertiefungen 28 kommt
mit beiden Seiten des hervortretenden Teiles 18a in Kontakt, wodurch der
Rand der Brennstoffzellenuntereinheit 12 abgedichtet wird. Das flüssige
Dichtmittel S in einer Vertiefung 30 kommt mit dem flüssigen Dichtmittel S in
der anderen Vertiefung 30 in Kontakt, wodurch der Rand der Öffnungen 36a,
36b, 38a, 38b, 40a und 40b abgedichtet wird.
Wie in Fig. 5 gezeigt, umgibt gegenüber der Oberfläche 14b des ersten
Abstandhalters 14 eine Vertiefung 34 die Abzweigkanäle 74 auf der
Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16, wenn mehrere
Brennstoffzellen gestapelt werden. Das flüssige Dichtmittel S wird in die
Vertiefung 34 gegeben. Desweiteren umgibt die Vertiefung 35 die
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a,
die Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, die Brenngasseitenauslassöffnung 36b und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b. Das flüssige Kühlmedium S wird in die
Vertiefungen 35 gegeben.
Die Vertiefungen 35 um die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a und die
Brenngasseitenauslassöffnung 36b, umgeben die ersten
Brenngasverbindungsdurchtritte 64 und die zweiten
Brenngasverbindungsdurchtritte 66. Die Vertiefungen um die
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b, umgeben die
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b auf der Oberfläche 14b des ersten
Abstandhalters 14.
Wenn die Brennstoffzelleneinheiten 10 gestapelt werden, kommt die
Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14 in Kontakt mit der Oberfläche
16b des zweiten Abstandhalters 16. Dann kommt das flüssige Dichtmittel S
des zweiten Abstandhalters 16, das um die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a,
die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a, die
Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, die Brenngasseitenauslassöffnung 36b und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b und die Abzweigkanäle 74 angeordnet
ist, in Kontakt mit der Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14 und stellt
dadurch die Wasserundurchlässigkeit zwischen dem ersten Abstandhalter 14
und dem zweiten Abstandhalter 16 sicher.
Das flüssige Dichtmittel S ist hergestellt aus fluorhaltigem, hitzehärtbarem
Kunststoff oder hitzehärtbarem Silicium. Das flüssige Dichtmittel S weist eine
solche Viskosität auf, dass sich die Querschnittsform des Dichtmittels nicht
verändert, nachdem es in die Vertiefungen gegeben wurde und härtet zu einem
festen Dichtmittel aus, während ein gewisses Mass an Elastizität beibehalten
wird, sogar nachdem die Abdichtung gebildet wurde. Das Dichtmittel kann
klebend oder nicht-klebend sein. Vorzugsweise ist dasjenige flüssige
Dichtmittel S. das zwischen auswechselbaren Teilen, wie die Oberfläche 14b
des ersten Abstandhalters 14 und die Oberfläche 16b des zweiten
Abstandhalters 16, verwendet wird, nicht-klebend. Im Besonderen beträgt der
Durchmesser des aufgetragenen flüssigen Dichtmittels S 0,6 mm und die
Belastung auf das Dichtmittel ist 0,5 bis 2 N/mm (wenn sie unter 0,5 N/mm
ist, wird die Abdichtungswirkung verringert und wenn sie über 2 N/mm ist,
verliert die Abdichtung an Elastizität). Die Breiten der Vertiefungen 28, 30, 34
und 35 betragen 2 mm und ihre Tiefen betragen 0,2 mm. Das in die
Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 gegebene flüssige Dichtmittel S wird so
zusammengedrückt, dass die Querschnittsfläche der Abdichtung vergrössert
wird, wodurch Unterschiede in den Grössen der Abdichtungsbereiche
ausgeglichen werden und ein stetiger Kontakt mit den Abdichtungsbereichen
hergestellt wird.
Mehr besonders, wie in Fig. 8 gezeigt, kommt das flüssige Dichtmittel S' in
engen Kontakt mit der Festpolymerelektrolytmembran 18. Wenn das feste
Dichtmittel S' auf die Festpolymerelektrolytmembran 18 gedrückt wird und
zusammengedrückt wird, könnte sich die Abdichtung aufgrund der Unebenheit
des Dichtmittels S' zerlegen, weil die Festpolymerelektrolytmembran 18 nicht
gleichmässig in horizontaler Richtung gleitet. Das zusammengedrückte
Dichtmittel S, verursacht jedoch keine Unebenheit in der
Festpolymerelektrolytmembran 18. Das flüssige Dichtmittel S wird gemäss den
Falten der Festpolymerelektrolytmembran 18 unterschiedlich gedrückt und
schafft eine zuverlässige Abdichtung.
Das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 10 wird mit
Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 16 erläutert. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird das
flüssige Dichtmittel S in die Vertiefungen 28 und 30 auf der Oberfläche 14a
des ersten Abstandhalters 14 und in die Vertiefungen 28 und 30 des zweiten
Abstandhalters 16 gegeben. Nach der Auftragung des flüssigen Dichtmittels S,
werden die ersten und zweiten Abstandhalter 14 und 16 in einem Lagerregal
80, das in Fig. 10 gezeigt ist, für den Transport und die Lagerung aufbewahrt.
Wie in Fig. 11 gezeigt, nimmt dann der erste Abstandhalter 14 und der zweite
Abstandhalter 16 die zusammengesetzte Brennstoffzellenuntereinheit 12
dazwischen auf. Diese Teile werden zwischen zwei Druckvorrichtungen 82
eingesetzt. Die untere Druckvorrichtung 82 ist in der vertikalen Richtung
verschiebbar mittels einer automatischen Hebevorrichtung 84.
Die Halterungen 86 halten die Kanten der Brennstoffzellenuntereinheit 12 und
stellen die Positionen des ersten Abstandhalters 14 und des zweiten
Abstandhalters 16 in horizontaler Richtung ein.
Dann wird die untere Druckvorrichtung 82 angehoben, so dass die
Brennstoffzellenuntereinheit 12 zwischen dem ersten Abstandhalter 14 und
dem zweiten Abstandhalter 16 aufgenommen wird, während das flüssige
Dichtmittel S in den Vertiefungen 28 in engen Kontakt mit dem
hervortretenden Teil 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18 kommt. Zu
diesem Zeitpunkt kommt das flüssige Dichtmittel S in einer Vertiefung 30 in
engen Kontakt mit dem Dichtmittel S in der anderen Vertiefung 30, wodurch
die Reaktionsfläche und der Rand der Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, der
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a, der Kühlmediumseiteneinlassöffnung
40a, der Kühlmediumseitenauslassöffnung 40b, der
Brenngasseitenauslassöffnung 36b und der Oxidationsgasseitenauslassöffnung
38b abgedichtet wird.
Wie in Fig. 12 gezeigt, wird dann die Brennstoffzellenuntereinheit 12, die
zwischen dem ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten Abstandhalter 16
aufgenommen wird, mit den Druckvorrichtungen 82 durch einen Ofen 88
erhitzt, um das flüssige Dichtmittel S auszuhärten. Wie in Fig. 13 gezeigt,
wurden dann die Brennstoffzellenuntereinheit 12, der erste Abstandhalter 14
und der zweite Abstandhalter 16 aus den Druckvorrichtungen 80
herausgenommen und abgekühlt. Wie in Fig. 14 gezeigt, wurde das flüssige
Dichtmittel S dann in die Vertiefungen 34 und 35 auf der Oberfläche 16b des
zweiten Abstandhalters 16 der Brennstoffzelleneinheit 10 gegeben. Wie in Fig.
15 gezeigt, wurde dann die Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14 einer
anderen Brennstoffzelleneinheit 10 auf die Oberfläche 16b dieses
Abstandhalters 16 gestapelt. Einige Brennstoffzelleneinheiten 10 werden
nacheinander auf die Endplatte 90 des Brennstoffzellenstapels gestapelt. Wenn
eine vorher festgelegte Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 10
aufeinandergestapelt wurden, wurde durch das Anziehen der Bolzen 92 eine
andere Endplatte befestigt. Somit wurde der Brennstoffzellenstapel hergestellt.
Die Wirkungsweise der Brennstoffzelle der ersten Ausführungsform wird nun
unten beschrieben.
Das Brenngas, beispielsweise ein Gas, das Wasserstoff enthält, der durch
Reformierung eines Kohlenwasserstoffes erhalten wurde, wird einer
Brennstoffzelleneinheit 10 zugeführt, während das Oxidationsgas,
beispielsweise Luft oder ein Gas, das Sauerstoff enthält (im Folgenden einfach
als Luft bezeichnet), der Brennstoffzelle zugeführt wird. Desweiteren wird das
Kühlmedium zugeführt, um die elektrisch aktiven Oberflächen abzukühlen. Wie
in Fig. 2 gezeigt, wird das Brenngas der Brenngasseiteneinlassöffnung 36a
zugeführt, strömt von der Oberfläche 16b durch die ersten
Brenngasverbindungsdurchtritte 64 zu der Oberfläche 16a und erreicht die
ersten Brenngaskanäle 60 auf der Oberfläche 16a.
Das Brenngas, das den ersten Brenngaskanälen 60 zugeführt wurde, strömt
horizontal, während es sich in Richtung der Erdanziehung vertikal nach unten
durchschlängelt, auf die Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16.
Während dieser Wanderung wird das Wasserstoffgas im Brenngas durch die
zweite Gasdiffusionsschicht 26 der Anodenseitenelektrode 22 der
Brennstoffzellenuntereinheit 12 zugeführt. Das Brenngas bewegt sich durch die
ersten Brenngaskanäle 60 zu der Anodenseitenelektrode 22. Das Brenngas
wird durch die zweiten Brenngaskanäle 62 in den zweiten
Brenngasverbindungsdurchtritt 66 eingeleitet, erreicht die Oberfläche 16b und
wird durch die in Fig. 1 gezeigte Brenngasseitenauslassöffnung 16b
entnommen.
Die Luft, die der Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a in dem
Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wurde, wird durch die ersten
Oxidationsgasverbindungsdurchtritte 46, die mit der
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a des ersten Abstandhalters 14 in
Verbindung stehen, in die ersten Oxidationsgaskanäle 42 eingeleitet. Während
die Luft, die den ersten Oxidationsgaskanälen 42 zugeführt wurde, sich
horizontal bewegt, während sie sich in Richtung der Erdanziehung vertikal nach
unten durchschlängelt, wird das sauerstoffhaltige Gas in der Luft durch die
erste Gasdiffusionsschicht 24 der Kathodenseitenelektrode 20 zugeführt.
Andererseits wird das Gas, das bis jetzt noch nicht verbraucht wurde, durch
die in Fig. 1 gezeigten zweiten Oxidationsgaskanäle 44, zweiten
Oxidationsgasverbindungsdurchtritte 48 und
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b entnommen. Folglich wird die
elektrische Energie in der Brennstoffzelleneinheit 10 erzeugt und wird einem
Motor, der nicht gezeigt ist, zugeführt.
Desweiteren wird das Kühlmedium, das der Brennstoffzelleneinheit 10
zugeführt wird, in die in Fig. 1 gezeigte Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a
eingeleitet und wird durch die ersten Kühlmediumverbindungsdurchtritte 76
des zweiten Abstandhalters 16 den Hauptkanälen 72a auf der Oberfläche 16b,
wie in Fig. 5 gezeigt, zugeführt. Das Kühlmedium läuft durch mehrere
Abzweigkanälen 74, die von den Hauptkanälen 72a abzweigen, während es die
elektrisch aktive Oberfläche der Brennstoffzellenuntereinheit 12 kühlt und
erreicht die Hauptkanäle 72b. Dann wird das gebrauchte Kühlmedium durch die
zweiten Kühlmediumverbindungsdurchtritte 78 und der
Kühlmediumseitenauslassöffnung 40b entnommen.
Gemäss der obigen Ausführungsform, kommt das flüssige Dichtmittel S in
direkten Kontakt mit dem hervortretenden Teil 18a, der am Rand der
Festpolymerelektrolytmembran 18 bereitgestellt wird, wird zwischen der
Festpolymerelektrolytmembran 18 und den ersten und zweiten Abstandhaltern
14 und 16 zusammengedrückt, passt sich an die verschiedenen Grössen der
Abdichtungsquerschnitte an und hält die Gasundurchlässigkeit zwischen der
Festpolymerelektrolytmembran 18 und den ersten und zweiten Abstandhaltern
14 und 16 aufrecht, während ein gleichmässiger Druck auf die Vertiefungen
28, 30, 34 und 35 beibehalten wird. Deswegen ist die Reaktionskraft, die
durch die Abdichtung hervorgerufen wird, über den gesamten Rand zwischen
den ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 und der
Brennstoffzellenuntereinheit 12 einheitlich, wodurch die Abdichtung einheitlich
gemacht wird.
Insbesondere ist die Anpassung des flüssigen Dichtmittels S an die
verschiedenen Grössen der Abdichtungsquerschnitte zufriedenstellend.
Deswegen müssen die Herstellungsgrössen des ersten Abstandhalters 14, des
zweiten Abstandhalters 16 und der Brennstoffzellenuntereinheit 12 in Bezug
auf die Dicke nicht genau kontrolliert werden. Die Handhabung der Genauigkeit
bezüglich der Grösse ist einfach und die Herstellungskosten können reduziert
werden.
Desweiteren hält das flüssige Dichtmittel, das in die Vertiefungen des ersten
Abstandhalters 14 und des zweiten Abstandhalters 16 gegeben wurde, eine
gleichmässige Breite innerhalb der Vertiefungen 28 aufrecht, während es in
engen Kontakt mit dem hervortretenden Teil 18a der
Festpolymerelektrolytmembran 18 kommt und entsprechend den Grössen der
Abdichtungsbereiche zusammengedrückt wird. Folglich kann die
Gasundurchlässigkeit durch das Aufnehmen der Brennstoffzellenuntereinheit 12
durch den ersten Abstandhalter 14 und den zweiten Abstandhalter 16 einfach
erreicht werden. Das heisst, dass die elastische Verformung auch grösser ist,
weil der Querschnittsbereich des flüssigen Dichtmittels S innerhalb der
Vertiefungen 28 grösser ist als in dem Fall, in dem die Vertiefungen 28 nicht
bereitgestellt werden. Da eine ausreichende Verformung auftritt, wird die
Abdichtung verbessert.
Das flüssige Dichtmittel S gleicht die Unterschiede in den Grössen der
Abdichtungsbereiche zwischen den ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und
16 und dem hervortretenden Teil 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18
aus und verhindert dadurch, dass Partialkräfte auf die Abstandhalter 14 und 16
einwirken. Deshalb können die Abstandhalter 14 und 16 dünn sein, die
Brennstoffzelte kann leicht sein und die Grösse der Brennstoffzelle kann
vermindert werden. Die erfindungsgemässe Brennstoffzelle ist geeignet für ein
Vehikel, in dem der Raum für die Brennstoffzelle begrenzt ist und in welchem
es für die Abstandhalter 14 und 16 erwünscht ist, so dünn wie möglich zu
sein.
Weil das flüssige Dichtmittel S in direkten Kontakt mit der
Polymerelektrolytmembran 18 kommt, kann die Anzahl der Teile und die
Anzahl der Montageschritte im Vergleich zu dem Fall, in dem ein Rahmen an
den Rand der Brennstoffzellenuntereinheit 12 angebracht wird, vorteilhaft
vermindert werden. Die Oberflächendrücke des flüssigen Dichtmittels S auf die
Festpolymerelektrolytmembran 18 sind einheitlich und deshalb ist die Kraft, die
auf die Festpolymerelektrolytmembran 18 einwirkt, nicht partiell. Selbst wenn
die Festpolymerelektrolytmembran 18 Falten entwickelt, kann das flüssige
Dichtmittel dementsprechend zusammengedrückt werden und verhindert
deshalb die Falten auf der Festpolymerelektrolytmembran 18.
Das flüssige Dichtmittel S, das in die Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 gegeben
wurde, wird zusammengedrückt und die Querschnittsbereiche davon sind
entsprechend den Formen der Vertiefungen vergrössert. Deshalb können die
Unterschiede im Oberflächendruck in Bezug auf das Ausmass der
Verformungen des flüssigen Dichtmittels S vermindert werden. Die
Spannungsunterschiede zwischen dem flüssigen Dichtmittel S aufgrund der
unterschiedlichen Grössen der Abdichtungsbereiche können nämlich vermindert
werden.
Als nächstes wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit
Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Struktur der Brennstoffzelle der
zweiten Ausführungsform ist ähnlich zu derjenigen der ersten Ausführungsform
und deshalb werden hauptsächlich die Unterschiede besprochen.
Das flüssige Dichtmittel S besteht aus einem fluorhaltigen, hitzehärtbaren
Kunststoff oder einem hitzehärtbarem Silicium. Das flüssige Dichtmittel S weist
eine solche Viskosität (im Bereich von 1000 bis 9000 Pa.s, zum Beispiel 5000 Pa.s)
auf, dass die Querschnittsform des Dichtmittels sich nicht verändert,
nachdem es in die Vertiefungen gegeben wurde und aushärtete, während es
ein gewisses Mass an Elastizität beibehält, sogar nachdem die Abdichtung
gebildet worden ist. Das Dichtmittel kann klebend oder nicht-klebend sein.
Wenn die Viskosität unter 1000 Pa.s liegt, können die Formen der
aufgetragenen flüssigen Abdichtungen nicht aufrechterhalten werden,
während, wenn die Viskosität über 9000 Pa.s liegt, die Viskosität so hoch ist,
dass die Dichtmittel nicht aufgetragen werden können.
Vorzugsweise ist das flüssige Dichtmittel, das zwischen auswechselbaren
Teilen, wie der Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14 und der
Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16, angeordnet ist, nicht-klebend.
Insbesondere beträgt der Durchmesser des aufgetragenen flüssigen
Dichtmittels S 0,2 bis 6 mm und beträgt vorzugsweise 0,4 bis 4 mm,
beispielsweise 0,6 mm. Die Belastung auf das Dichtmittel ist 0,5 bis 2 N/mm
(wenn sie unter 0,5 N/mm ist, wird die Abdichtungswirkung verringert und
wenn sie über 2 N/mm ist, verliert die Abdichtung an Elastizität). Deshalb wird
der Durchmesser des aufgetragenen Dichtmittels wie oben beschrieben
eingestellt, weil das flüssige Dichtmittel S wegen der hohen Viskosität
unterbrochen werden könnte, wenn der Durchmesser unter 0,2 mm ist und
weil die benötigte Kraft, um die aufeinandergestapelten Abstandhalter zu
binden zu hoch ist, wenn er über 6 mm ist.
Die Breiten der Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 betragen 2 mm und ihre Tiefen
betragen 0,2 mm. Das in die Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 gegebene
flüssige Dichtmittel S wird so zusammengedrückt, dass die Querschnittsfläche
des Dichtmittels vergrössert wird, wodurch Unterschiede in den Grössen der
Abdichtungsbereiche ausgeglichen werden und ein stetiger Kontakt mit den
Abdichtungsbereichen hergestellt wird.
Wie in Fig. 18 gezeigt, weist das flüssige Dichtmittel S. das in engen Kontakt
mit dem hervortretenden Teil 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18
kommt, eine runde Form mit dem Durchmesser C (= 0,6 mm) auf. Wenn die
Brennstoffzellenuntereinheit 12, wie in Fig. 19 gezeigt, zwischen den ersten
und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 aufgenommen wird, wird das flüssige
Dichtmittel zusammengedrückt und die gedrückten Bereiche kommen in engen
Kontakt mit dem gesamten Bereich des hervortretenden Teils 18a der
Festpolymerelektrolytmembran 18.
Wenn der Kontakt des flüssigen Dichtmittels S nicht eng genug ist, muss der
hervortretende Teil 18a grösser sein und vergrössert die Zusatzfläche der
Festpolymerelektrolytmembran 18, welche nicht zu der Reaktion beiträgt,
wodurch die Kosten erhöht werden. Wenn der Kontakt des flüssigen
Dichtmittels S zu eng ist, ist die Abdichtung ungenügend.
In der Ausführungsform wird die Breite e des hervortretenden Teiles 18a auf
3/2 × C eingestellt, wenn der Durchmesser des aufgetragenen Dichtmittels S C
ist, wodurch die Abdichtung sichergestellt wird.
Das Experiment wurde durchgeführt, um die Abdichtungswirkung unter
Verwendung von Teststücken für die Gasabdichtung zu zeigen. Wie in Fig. 19
gezeigt, ist im Experiment der Durchmesser des aufgetragenen flüssigen
Dichtmittels S C (= 0,6 mm), was den minimalen Durchmesser darstellt, um
das flüssige Dichtmittel S aufzutragen, die Tiefe der Vertiefung 28d und die
Breite der Kathodenelektrode 20 und der ersten Diffusionsschicht 24b (was
das Gleiche ist, wie die Breite der Anodenseite). Im Experiment wurden die
Längen von b + d variiert. Das flüssige Dichtmittel S ist weiter ein
fluorhaltiger, hitzehärtbarer Kunststoff mit einer Viskosität von 5000 Pa.s.
Wie in Fig. 20 gezeigt, wird das flüssige Dichtmittel S des fluorhaltigen,
hitzehärtbaren Kunststoffes mit dem Durchmesser von 0,6 mm direkt auf die
Oberflächen eines Gerätes aufgetragen, das eine Platte f, hergestellt aus
rostfreiem Stahl (SUS316) und eine Platte i, hergestellt aus rostfreiem Stahl
(SUS316), die eine Öffnung, um ein Gas unter Druck zu setzen, aufweist,
umfasst. Wie in Fig. 21 gezeigt, wird dann die Festpolymerelektrolytmembran
18, die eine Öffnung in ihrer Mitte aufweist, zwischen den aufgetragenen
flüssigen Dichtmitteln S aufgenommen und die Abstandsstücke g (Folien oder
Stahlplatten) werden zur Einstellung des Raumes (entsprechend zu b + d) auch
in den Rand des Gerätes eingesetzt. Dann wird das flüssige Dichtmittel S für
zwei Stunden bei 150°C erhitzt, so dass es zu einem festen Dichtmittel (feste
Abdichtung) aushärtet.
Dann wurden, wie in Fig. 22 gezeigt, die Abstandsstücke g entfernt, nachdem
das flüssige Dichtungsmittel S ausgehärtet war. Die Belastung von 1 N/mm
wird dann an das Dichtmittel angelegt und das Teststück wird durch Bolzen j
befestigt, während die Belastung beibehalten wird. Dann wird das Teststück
mit einer Röhrenleitung von einer Heliumdruckgasflasche HB bei
Raumtemperatur unter einer atmosphärischen Bedingung verbunden und wird
mit einem Gasdruck von 200 kPa unter Druck gesetzt. Das Austreten des
Gases wird durch ein Durchflussmessgerät F gemessen.
Die Festpolymerelektrolytmembran 18 weist eine äussere Abmessung von 420
× 420 mm, eine Öffnung mit einem Innendurchmesser von 300 × 300 mm und
eine Dicke von 50 µm auf und ist aus Perfluorsulfonsäurepolymer hergestellt.
Das Austreten von Gas, wenn die in Fig. 19 gezeigte Breite E des Kontaktes
des flüssigen Dichtmittels S durch Verändern der Dicke (µm) des
Abstandsstücks g verändert wird, ist in Tabelle 1 gezeigt.
Gemäss den Ergebnissen des Experiments ist der Gasaustritt Null, wenn die
Breite E des Kontaktes des flüssigen Dichtmittels S gleich oder grösser als 0,9 mm
ist, was wenigstens 3/2 des Durchmessers des aufgetragenen flüssigen
Dichtmittels S darstellt. Deshalb sollte die Breite e (der minimale Wert e = E)
des hervortretenden Teiles 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18 so
eingestellt werden, dass das flüssige Dichtmittel S die Breite E des Kontaktes
aufweist.
In dem Herstellungsverfahren wird das flüssige Dichtmittel S mit dem
Durchmesser C in die Vertiefungen 28 in den Rändern des ersten
Abstandhalters 14 und des zweiten Abstandhalters 16 gegeben. Das flüssige
Dichtmittel S, das noch nicht hart wurde, kommt in engen Kontakt mit dem
hervortretenden Teil 18a (mit der Breite e) der Festpolymerelektrolytmembran
18, während die Brennstoffzellenuntereinheit 12 zwischen den Abstandhaltern
14 und 16 aufgenommen wird. Das flüssige Dichtmittel S wird zwischen den
Abstandhaltern 14 und 16 so zusammengedrückt, dass die Breite E des
Kontaktes des flüssigen Dichtmittels S mit der Festpolymerelektrolytmembran
18 gleich oder grösser als 3/2 des Durchmessers C des aufgetragenen
flüssigen Dichtmittels S wird. Dann werden die Brennstoffzellenuntereinheit
12, der erste Abstandhalter 14 und der zweite Abstandhalter 16 erhitzt, um
das flüssige Dichtmittel S auszuhärten. Die Breite E des Kontaktes des
flüssigen Dichtmittels S kann durch das Einsetzen der Abstandsstücke
zwischen den Abstandhaltern 14 und 16 eingestellt werden. Dieses Verfahren
kann die Breite E des Kontaktes des flüssigen Dichtmittels S geeignet
anpassen, wodurch der Herstellungsprozess vereinfacht wird.
Desweiteren ist die Breite e des hervortretenden Teiles 18a der
Festpolymerelektrolytmembran 18, mit der das flüssige Dichtmittel in Kontakt
kommt, passend zu dem Durchmesser C des aufgetragenen flüssigen
Dichtmittels S und dadurch wird die Abdichtung zuverlässig, während der
hervortretende Teil 18a minimal ist.
Desweiteren erreicht die zweite Ausführungsform die gleichen Effekte wie die
erste Ausführungsform.
Als nächstes wird nun die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die Struktur der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform ist ähnlich zu
derjenigen der ersten Ausführungsform und deshalb werden hauptsächlich die
Unterschiede besprochen.
Wie in Fig. 28 gezeigt, wird eine Vertiefung 28 gegenüber der
Anodenelektrode 22 auf der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16
gebildet, der die Festpolymerelektrolytmembran 18 aufnimmt und entspricht
dem hervortretenden Teil 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18. Das
flüssige Dichtmittel SA wird in die Vertiefungen 28 gegeben. Wie in Fig. 26
gezeigt, umgeben die Vertiefungen 30 die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a,
die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a, die
Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, die Brenngasseitenauslassöffnung 36b und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b, die sich auf der Oberfläche 16a des
zweiten Abstandhalters 16 befinden. Das flüssige Dichtmittel SA1 wird in die
Vertiefungen 30 gegeben. Die Vertiefungen 30 um die
Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a und die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, umgeben die ersten und zweiten Kühlmediumverbindungsdurchtritte 76
und 78.
Wie in Fig. 23 gezeigt, werden die Vertiefungen 28 und 30 gegenüber der
Kathodenelektrode 20 auf der Oberfläche 14a des ersten Abstandhalters 14,
der die Brennstoffzellenuntereinheit 12 mit dem zweiten Abstandhalter 16
aufnimmt und entsprechen den Vertiefungen 28 und 30 auf dem zweiten
Abstandhalter 16. Das flüssige Dichtmittel SA wird in die Vertiefung 28
gegeben und das flüssige Dichtmittel SA1 wird in die Vertiefungen 30 gegeben.
Wie in den Fig. 24, 28 und 29 gezeigt, wird das flüssige Dichtmittel SA in
die Vertiefungen 28 der ersten und zweiten Abstandhalter 14 und 16, welche
die Brennstoffzellenuntereinheit 12 aufnehmen, gegeben und das flüssige
Dichtmittel SA1 wird in die Vertiefungen 30 gegeben. Das flüssige Dichtmittel
SA in den Vertiefungen 28 nimmt den hervortretenden Teil 18a auf und kommt
mit beiden Seiten des hervortretenden Teiles 18a in direkten Kontakt, wodurch
der Rand der Brennstoffzellenuntereinheit 12 abgedichtet wird. Das flüssige
Dichtmittel SA1 in einer Vertiefung 30 kommt mit dem flüssigen Dichtmittel
SA1 in der anderen Vertiefung 30 in Kontakt, wodurch der Rand der
Öffnungen 36a, 36b, 38a, 38b, 40a und 40b abgedichtet wird. In der Fig. 28
wird das flüssige Dichtmittel SA oder SA1 zusammengepresst.
Wie in Fig. 27 gezeigt, umgibt gegenüber der Oberfläche 14b des ersten
Abstandhalters 14 eine Vertiefung 34 die Abzweigkanäle 74 auf der
Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16, wenn mehrere
Brennstoffzellen gestapelt werden. Das flüssige Dichtmittel SA wird in die
Vertiefung 34 gegeben. Desweiteren umgeben die Vertiefungen 35 die
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a,
die Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, die Brenngasseitenauslassöffnung 36b und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b. Das flüssige Kühlmedium SA1 wird in
die Vertiefungen 35 gegeben.
Die Vertiefungen 35 um die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a und die
Brenngasseitenauslassöffnung 36b, umgeben die ersten
Brenngasverbindungsdurchtritte 64 und die zweiten
Brenngasverbindungsdurchtritte 66. Die Vertiefungen 35 um die
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b, umgeben die
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b auf der Oberfläche 14b des ersten
Abstandhalters 14.
Wenn die Brennstoffzelleneinheiten 10 gestapelt werden, liegen die Oberfläche
14b des ersten Abstandhalters 14 und die Oberfläche 16b des zweiten
Abstandhalters 16 übereinander. Dann kommt das flüssige Dichtmittel SA und
das flüssige Dichtmittel SA1 des zweiten Abstandhalters 16, die um die
Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, die Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a,
die Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, die Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, die Brenngasseitenauslassöffnung 36b und die
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b und die Abzweigkanäle 74 angeordnet
sind, in Kontakt mit der Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14 und
stellt dadurch die Wasserundurchlässigkeit zwischen dem ersten Abstandhalter
14 und dem zweiten Abstandhalter 16 sicher.
Das flüssige Dichtmittel SA und das flüssige Dichtmittel SA1 sind aus einem
fluorhaltigen, hitzehärtbaren Kunststoff oder einem hitzehärtbaren Silicium
hergestellt. Das flüssige Dichtmittel SA und das flüssige Dichtmittel SA1
weisen eine solche Viskosität auf, dass sich die Querschnittsform des
Dichtmittels nicht verändert, nachdem sie in die Vertiefungen gegeben wurden
und erhärten zu einem festen Dichtmittel, während sie ein gewisses Mass an
Elastizität beibehalten, sogar nachdem die Abdichtung gebildet wurde. Das
Dichtmittel kann klebend oder nicht-klebend sein. Vorzugsweise sind das
flüssige Dichtmittel SA und das flüssige Dichtmittel SA1, die zwischen den
auswechselbaren Teilen, wie der Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14
und der Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16, angeordnet sind,
nicht-klebend. Insbesondere betragen die Durchmesser des aufgetragenen
flüssigen Dichtmittels SA und flüssigen Dichtmittels SA1 0,6 mm und die
Belastung auf die Dichtmittel ist 0,5 bis 2 N/mm (wenn sie unter 0,5 N/mm ist,
wird die Abdichtungswirkung verringert und wenn sie über 2 N/mm ist, verliert
die Abdichtung an Elastizität). Die Breiten der Vertiefungen 28, 30, 34 und 35
betragen 2 mm und ihre Tiefen betragen 0,2 mm. Das in die Vertiefungen 28,
30, 34 und 35 gegebene flüssige Dichtmittel SA und flüssige Dichtmittel SA1
werden so zusammengedrückt, dass ihre Querschnittsflächen vergrössert
werden, wodurch Unterschiede in den Grössen der Abdichtungsbereiche
ausgeglichen werden und ein stetiger Kontakt mit den Abdichtungsbereichen
hergestellt wird.
In dem Herstellungsverfahren wird das flüssige Dichtmittel SA in die
Vertiefungen 28, die in den Ränder des ersten Abstandhalters 14 und des
zweiten Abstandhalters 16 gebildet werden, gegeben. Das flüssige Dichtmittel
SA, das noch nicht aushärtete, kommt in Kontakt mit dem hervortretenden Teil
18a der Festpolymerelektrolytmembran 18. Das flüssige Dichtmittel SA1 wird
in die Vertiefungen um die Brenngasseiteneinlassöffnung 36a, der
Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a, der Kühlmediumseiteneinlassöffnung
40a, der Kühlmediumseitenauslassöffnung 40b, der
Brenngasseitenauslassöffnung 36b und der Oxidationsgasseitenauslassöffnung
38b gegeben. Das flüssige Dichtmittel SA1 in einer Vertiefung 30 kommt mit
dem flüssigen Dichtmittel SA1 in der anderen Vertiefung 30 so in Kontakt,
dass die Brennstoffzellenuntereinheit 12 zwischen den Abstandhaltern 14 und
16 aufgenommen wird und wird dann mit den Druckvorrichtungen 82 erhitzt,
um das flüssige Dichtmittel SA und das flüssige Dichtmittel SA1 auszuhärten.
Durch den einfachen Vorgang des Auftragens von flüssigem Dichtmittel SA1,
werden die Ränder der Öffnungen 36a, 36b, 38a, 38b, 40a und 40b
abgedichtet, während die Anzahl der Teile und die Anzahl der Montageschritte
vorteilhaft vermindert werden, wodurch das Herstellungsverfahren vereinfacht
wird.
Das Experiment 2 wurde durchgeführt, um die Abdichtungswirkung unter
Verwendung von Teststücken für die Gasabdichtung zu zeigen. Wie in Fig. 30
gezeigt, war im Experiment der Durchmesser des flüssigen Dichtmittels SA 0,6 mm,
was den minimalen Durchmesser darstellt, um das flüssige Dichtmittel SA
einheitlich anzuwenden, die Tiefe der Vertiefung 28d und die Breite der
Kathodenelektrode 20 und der ersten Diffusionsschicht 24b (was das Gleiche
ist, wie die Breite der Anodenseite). In dem Experiment wurden die Längen von
b + d variiert. Das flüssige Dichtmittel S war weiter ein fluorhaltiger,
hitzehärtbarer Kunststoff mit der Viskosität von 5000 Pa.s.
Wie in Fig. 20 gezeigt, wurde das flüssige Dichtmittel SA1 aus dem
fluorhaltigen, hitzehärtbaren Kunststoff mit einem Durchmesser von 0,6 mm
direkt auf die jeweiligen Oberflächen eines Gerätes aufgetragen, das eine Platte
f, hergestellt aus rostfreiem Stahl (SUS316) und eine Platte i, hergestellt aus
rostfreiem Stahl (SUS316), die eine Öffnung, um ein Gas unter Druck zu
setzen, aufwies, umfasst. Dann wurden auch die Abstandsstücke g (Folien
oder Stahlplatten) zur Einstellung des Raumes (entsprechend zu b + d)
eingesetzt. Dann wurde das flüssige Dichtmittel S für zwei Stunden bei 150°C
erhitzt, so dass es zu einem festen Dichtmittel aushärtete.
Dann wurden die Abstandsstücke g entfernt, nachdem das flüssige
Dichtungsmittel SA1 ausgehärtet war. Die Belastung von 1 N/mm wurde dann
an das Dichtmittel angelegt und das Teststück wurde durch die Bolzen j
befestigt, während die Belastung beibehalten wurde. Dann wurde das
Teststück mit einer Röhrenleitung aus einer Heliumdruckgasflasche HB bei
Raumtemperatur unter atmosphärischen Bedingungen verbunden und wurde
mit einem Gasdruck von 200 kPa unter Druck gesetzt. Das Austreten des
Gases wurde durch ein Durchflussmessgerät F gemessen.
Die Platte f weist eine äussere Abmessung von 500 × 500 × 5 mm, eine Länge
des aufgetragenen Dichtmittels SA1 von 400 × 400 mm und einen Druck, um
das Dichtmittel aufzutragen, von 500 kPa auf.
Die Austritte (cc/min) des Gases, wenn die Breite E des Kontaktes des
flüssigen Dichtmittels SA, die in Fig. 19 gezeigt ist durch Verändern der Dicke
(µm) des Abstandsstücks g verändert wurde, sind in Tabelle 2 gezeigt.
Gemäss dem in Fig. 31 gezeigten Experiment 3, wurde das flüssige Dichtmittel
SA1 mit einem Durchmesser von 0,9 mm, das die gleiche Viskosität aufwies
und aus dem selben Material hergestellt wurde, direkt auf die Platte f aus
rostfreiem Stahl (SUS316) aufgetragen. Dann wurden die Abstandsstücke g
(Folien oder Stahlplatten) zur Einstellung des Raumes zwischen die Platte f und
die Platte i, welche die Öffnung, um das Gas unter Druck zu setzen, aufwies,
eingesetzt. Das flüssige Dichtmittel SA1 kommt in engen Kontakt mit der
Platte i. Dann wurde das flüssige Dichtmitte) SA1 für zwei Stunden bei 150°C
erhitzt, so dass es zu einem festen Dichtmittel aushärtete.
Dann wurden die Abstandsstücke g entfernt, nachdem das flüssige Dichtmittel
SA1 aushärtete. Die Belastung von 1 N/mm wurde dann an das Dichtmittel
angelegt und das Teststück wurde durch die Bolzen j befestigt, während die
Belastung beibehalten wurde. Dann wurde das Teststück mit einer
Röhrenleitung aus einer Heliumdruckgasflasche HB bei Raumtemperatur unter
atmosphärischen Bedingungen verbunden und wird mit einem Gasdruck von
200 kPa unter Druck gesetzt. Das Austreten des Gases wird durch ein
Durchflussmessgerät F gemessen.
Die Platte f wies eine äussere Abmessung von 500 × 500 × 5 mm, eine Länge
des aufgetragenen flüssigen Dichtmittels SA1 von 400 × 400 mm und einen
Druck, um das Dichtmittel aufzutragen, von 500 kPa auf.
Die Austritte des Gases, wenn die in Fig. 19 gezeigte Breite E des Kontaktes
des flüssigen Dichtmittels SA durch Verändern der Dicke (µm) des
Abstandsstücks g verändert wurde, sind in Tabelle 3 gezeigt.
Der Gasaustritt ist Null, wenn im Experiment 1 das flüssige Dichtmittel SA1
auf die jeweiligen Platten f und i aufgetragen wurde, während der Gasaustritt
Null ist, wenn im Experiment 2 das flüssige Dichtmittel SA1 auf eine der
Platten f aufgetragen wurde und in Kontakt mit der anderen Platte i kommt.
Das heisst, dass die Abdichtung durch das flüssige Dichtmittel SA1 in einer
Vertiefung und das flüssige Dichtmittels SA1 in der anderen Vertiefung in den
Rändern der Öffnungen 36a, 36b, 38a, 38b, 40a und 40b zwischen der
Oberfläche 14a des ersten Abstandhalters 14 und der Oberfläche 16a des
zweiten Abstandhalters 16 zuverlässig ist, während die Abdichtung durch das
Dichtmittel SA1 nur in einer Vertiefung der Ränder der Öffnungen 36a, 36b,
38a, 38b, 40a und 40b zwischen den Oberflächen 14a des ersten
Abstandhalters 14 und der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16
[nicht zuverlässig ist].
Gemäss der obigen Ausführungsform, kommt das flüssige Dichtmittel SA1 in
einer der Vertiefungen 30 in Kontakt mit dem flüssigen Dichtmittel SA1 in den
anderen Vertiefungen 30 in den Rändern der Brenngasseiteneinlassöffnung
36a, der Oxidationsgasseiteneinlassöffnung 38a, der
Kühlmediumseiteneinlassöffnung 40a, der Kühlmediumseitenauslassöffnung
40b, der Brenngasseitenauslassöffnung 36b und der
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38b. Das Dichtmittel SA1 wird zwischen
den ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 zusammengedrückt, passt
sich an die verschiedenen Grössen der Abdichtungsbereiche an und hält die
Gasundurchlässigkeit zwischen den Abstandhaltern aufrecht, während ein
gleichmässiger Druck auf die Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 beibehalten
wird. Darum ist die Reaktionskraft, die durch die Abdichtung hervorgerufen
wird, einheitlich über die Ränder der Öffnungen 36a, 36b, 38a, 38b, 40a und
40b, wodurch die Abdichtung einheitlich gemacht wird.
Besonders ist die Anpassung des flüssigen Dichtmittels SA1 an die
verschiedenen Grössen der Abdichtungsbereiche zufriedenstellend. Deswegen
müssen die Herstellungsdicken des ersten Abstandhalters 14 und des zweiten
Abstandhalters 16 nicht genau kontrolliert werden. Die Handhabung der
Genauigkeit bezüglich der Grösse ist einfach und die Herstellungskosten
können reduziert werden.
Desweiteren hält das flüssige Dichtmittel SA1, das in die Vertiefungen 30 des
ersten Abstandhalters 14 und des zweiten Abstandhalters 16 gegeben wurde,
eine gleichmässige Breite innerhalb der Vertiefungen 30 aufrecht, während das
flüssige Dichtmittel SA1 in einer Vertiefung in Kontakt mit dem flüssigen
Dichtmittel SA1 in den anderen Vertiefungen kommt und entsprechend den
Grössen der Abdichtungsbereiche zusammengedrückt wird. Folglich kann die
Gasundurchlässigkeit um die Öffnungen 36a, 36b, 38a, 38b, 40a und 40b
einfach erreicht werden durch das Aufnehmen der Brennstoffzellenuntereinheit
12 zwischen dem ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten Abstandhalter 16.
Das flüssige Dichtmittel SA gleicht die Unterschiede in den Grössen der
Abdichtungsbereiche zwischen den ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und
16 aus und verhindert dadurch, dass Partialkräfte auf die Abstandhalter 14 und
16 einwirken. Deshalb können die Abstandhalter 14 und 16 dünn sein, die
Brennstoffzelle kann leicht sein und die Grösse der Brennstoffzelle kann
vermindert werden. Die erfindungsgemässe Brennstoffzelle ist geeignet für ein
Vehikel, in dem der Raum für die Brennstoffzelle begrenzt ist und in welchem
es für die Abstandhalter 14 und 16 erwünscht ist, so dünn wie möglich zu
sein.
Desweiteren verwendet die vorliegende Erfindung eine Struktur, die einfach
durch in Kontakt bringen des flüssigen Dichtmittels SA1 in einer Vertiefung mit
dem flüssigen Dichtmittel SA1 in den anderen Vertiefungen bereitgestellt wird,
wodurch die Anzahl der Teile und die Anzahl der Montageschritte, im Vergleich
zu der Technik, die Dichtungen verwendet, welche aus einer Anzahl von Teilen
zusammengesetzt sind, vermindert wird.
Gemäss der obigen Ausführungsform, trägt das flüssige Dichtmittel SA auch in
einer ähnlichen Art und Weise wie das flüssige Dichtmittel SA1 zu der
Abdichtung bei. Das flüssige Dichtmittel SA kommt in direkten Kontakt mit
dem hervortretenden Teil 18a, der am Rand der Festpolymerelektrolytmembran
18 bereitgestellt ist, wird zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und
den ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 zusammengedrückt, passt
sich an die verschiedenen Grössen der Abdichtungsbereiche an und hält die
Gasundurchlässigkeit zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und den
ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 aufrecht, während ein
gleichmässiger Druck auf die Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 beibehalten
wird. Darum ist die Reaktionskraft, die durch die Abdichtung erzeugt wird,
einheitlich über den Rand zwischen den ersten und zweiten Abstandhaltern 14
und 16 und der Brennstoffzellenuntereinheit 12, wodurch die Brennstoffzelle
einheitlich gemacht wird.
Die dritte Ausführungsform erzielt die gleichen Effekte wie die der ersten und
zweiten Ausführungsformen.
Als nächstes wird nun die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Struktur der Brennstoffzelle
der vierten Ausführungsform ist ähnlich zu derjenigen der ersten und zweiten
Ausführungsform und deshalb werden hauptsächlich die Unterschiede
besprochen.
Fig. 33 zeigt einen Brennstoffzellenstapel N der vierten Ausführungsform. Der
Brennstoffzellenstapel N beinhaltet einen Stapel von Brennstoffzelleneinheiten
10. Jede Brennstoffzelleneinheit 10 umfasst eine Brennstoffzelle
(Membranelektrodenanordnung) 12 und die ersten und zweiten Abstandhalter
14 und 16, um die Brennstoffzelle dazwischen aufzunehmen. Erste und zweite
Endplatten 80 und 82 sind an beiden Enden der Brennstoffzelleneinheiten 10
des Brennstoffzellenstapels N angeordnet und sind durch Verbindungsstäbe 84
angezogen und befestigt.
Die erste Endplatte 80 weist eine Öffnung 94 auf, die in Verbindung mit der
Oxidationsgasseitenauslassöffnung 38 steht. Ein Verteilerrohr 98 ist mit der
ersten Endplatte 80 verbunden und steht über ein Verbindungsstück 96 mit
der Öffnung 94 in Verbindung. Die erste Endplatte 80 weist eine Öffnung 104
auf, die mit der Brenngasseitenauslassöffnung 36b in Verbindung steht. Die
Öffnung 104 ist mit einem Verteilerrohr 106 verbunden, das eine ähnliche
Struktur aufweist wie das Verteilerrohr 106.
Obwohl in der vierten Ausführungsform der erste Abstandhalter 14 und der
zweite Abstandhalter 16 eine ähnliche Struktur zu derjenigen der dritten
Ausführungsform aufweisen, stellt das flüssige Dichtmittel SB ein klebendes
Dichtmittel dar und das flüssige Dichtmittel SB1 stellt ein nicht-klebendes
Dichtmittel dar.
Wie in Fig. 37 gezeigt, heisst das, dass das klebende, flüssige Dichtmittel SB
in die Vertiefungen 28 in der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16
aufgetragen wird. Das klebende, flüssige Dichtmittel SB wird auch in die
Vertiefungen 30 in der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16
aufgetragen. Das flüssige Dichtmittel SB in den Vertiefungen 30 könnte nicht-
klebend sein, weil das klebende, flüssige Dichtungsmittel in der Vertiefung 28
den ersten Abstandhalter 14 mit dem zweiten Abstandhalter 16 verbindet. Das
klebende, flüssige Dichtmittel SB wird in die Vertiefungen 28 und 30 in der
Oberfläche 14a des ersten Abstandhalters 14 aufgetragen. Wie in Fig. 34
gezeigt, wird das klebende, flüssige Dichtmittel SB in die Vertiefungen 28 und
30 in der Oberfläche 14a des ersten Abstandhalters 14 aufgetragen.
Wie in den Fig. 35, 36 und 39 gezeigt, wurde das flüssige Dichtmittel SB in
die Vertiefungen 28 und 30 der ersten und zweiten Abstandhalter 14 und 16,
welche die Brennstoffzellenuntereinheit 12 aufnehmen, gegeben. Das flüssige
Dichtmittel SB in den Vertiefungen 28 nimmt den hervortretenden Teil 18a auf
und kommt in direkten Kontakt mit beiden Seiten des hervortretenden Teils
18a, wodurch der Rand der Brennstoffzellenuntereinheit 12 abgedichtet wird.
Das flüssige Dichtmittel SB in einer Vertiefung 30 kommt mit dem flüssigen
Dichtmittel SB in der anderen Vertiefung 30 in Kontakt, wodurch der Rand der
Öffnungen 36a, 36b, 38a, 38b, 40a und 40b abgedichtet wird.
Wie in Fig. 38 gezeigt, wird das nicht-klebende, flüssige Dichtmittel SB1 in die
Vertiefung 34 in der Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16 gegeben.
Das nicht-klebende, flüssige Dichtmittel SB1 wird weiter in die Vertiefungen 35
in der Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16 gegeben.
Das flüssige Dichtmittel S oder SB ist aus einem fluorhaltigen hitzehärtbaren
Kunststoff oder hitzehärtbarem Silicium hergestellt. Das flüssige Dichtmittel S
weist eine solche Viskosität auf, dass die Querschnittsform des Dichtmittels
sich nicht verändert, nachdem es in die Vertiefungen gegeben wurde und
härtet in festes Dichtmittel aus, während ein gewisses Mass an Elastizität
beibehalten wird, sogar nachdem die Abdichtung gebildet wurde. Das
klebende, flüssige Dichtmittel SB ist ein fluorhaltiger, hitzehärtbarer Kunststoff
mit einer Hydroxylgruppe, die zur Adhäsion beiträgt.
Die Beispiele der Schritte, um die ersten und zweiten Abstandhalter 14 und 16
zu stapeln, werden erläutert. Im Folgenden werden nur die flüssigen Dichtmittel
SB und SB1, die in die Vertiefungen 28 und 34 aufgetragen wurden,
besprochen, während die Erläuterungen zu dem flüssigen Dichtmittel SB, das in
die Vertiefungen 30 gegeben wurde und zu dem flüssigen Dichtmittel SB1, das
in die Vertiefungen 35 gegeben wurde, übergangen werden.
Die runde Querschnittsform des flüssigen Dichtmittels SB oder SB1 weist auf
die Beschaffenheit des flüssigen Dichtmittels hin, das verwendet wurde. Die
eckige oder hexagonale Querschnittsform des flüssigen Dichtmittels SB oder
SB1 weist auf die Beschaffenheit des flüssigen Dichtmittels hin, das
zusammengedrückt und ausgehärtet wurde. In den folgenden Erläuterungen
schliesst das nicht-klebende Dichtmittel ein schwach klebendes Dichtmittel ein,
das später beschrieben wird.
In dem in Fig. 40 gezeigten ersten Beispiel, wird das flüssige Dichtmittel SB1
in die Vertiefung 34 in der Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16
gegeben. Das flüssige Dichtmittel SB1 ist klebend. Ein mit Teflon beschichtetes
Gerät R (dargestellt durch gestrichelte Linien) drückt, erhitzt und härtet das
flüssige Dichtmittel S1, das in die Vertiefung 34 gegeben wurde. Eine Seite
(Sa) des klebenden, flüssigen Dichtmittels, das hart wurde, adhäriert an die
Vertiefung 34 und die Scheradhäsionskraft auf der anderen Seite (Sb) wird
vermindert, das heisst, dass es nicht-klebend wird. Die Unterscheidung
zwischen dem nicht-klebenden Dichtmittel und dem klebenden Dichtmittel wird
durch die Scheradhäsion bestimmt und wird nicht durch die Art des Haftmittels
bestimmt.
Dann wird das flüssige Dichtmittel SB in die Vertiefung 28 des zweiten
Abstandhalters 16 aufgetragen und die Brennstoffzellenuntereinheit 12 wird
zwischen diesem flüssigen Dichtmittel SB und dem flüssigen Dichtmittel SB in
der anderen Vertiefung 28 des ersten Abstandhalters 14 aufgenommen.
Während das flüssige Dichtmittel SB folglich die Festpolymerelektrolytmembran
hält, wird das flüssige Dichtmittel SB erhitzt, so dass es in ein festes
Dichtmittel aushärtet, an diesem Zeitpunkt ist das Zusammenbauen der
Brennstoffzelleneinheit 10 abgeschlossen.
Dieses Beisp 24030 00070 552 001000280000000200012000285912391900040 0002010121176 00004 23911iel bringt das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels
N wie folgt zum Ausdruck.
Die Festpolymerelektrolytmembran 18 wird durch die
Anodenseitendiffusionselektrode (die die Anodenelektrode 22 und die zweite
Diffusionsschicht 26 umfasst) und die Kathodenseitendiffusionselektrode (die
die Kathodenelektrode 20 und die zweite Diffusionsschicht 24 umfasst)
aufgenommen, wodurch die Membranelektrodenanordnung (die der
Brennstoffzellenuntereinheit 12 entspricht) erzeugt wird. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung durch ein Paar Abstandhalter 14 und 16
aufgenommen, um die Brennstoffzelleneinheit 10 zu erzeugen. Dann werden
eine Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 10 aufeinandergestapelt, um den
Brennstoffzellenstapel N zu erzeugen. In diesem Herstellungsverfahren wird das
klebende, flüssige Dichtmittel SB1 auf einen vorher festgelegten Bereich
(Vertiefung 34) einer der Oberflächen 16b des Abstandhalters aufgetragen.
Dann drückt, erhitzt und härtet das Gerät R das klebende, flüssige Dichtmittel
in das nicht-klebende, feste Dichtmittel. Dann wird das klebende Dichtmittel SB
auf einen vorher festgelegten Bereich (Vertiefung 28) der anderen Oberfläche
16a des Abstandhalters aufgetragen. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung zwischen diesem klebenden Dichtmittel SB und
dem klebenden, flüssigen Dichtmittel, das auf den vorher festgelegten Bereich
(Vertiefung 28) der Oberfläche 14a des anderen Abstandhalters aufgetragen
wurde, aufgenommen. Dann wird das flüssige Dichtmittel erhitzt und härtet
aus. Dann werden die Brennstoffzelleneinheiten 10 aufeinandergestapelt.
Gemäss dieser Struktur kann der Abstandhalter einer Brennstoffzelleneinheit
leicht von dem Abstandhalter der anderen Brennstoffzelleneinheit getrennt
werden. Darum kann die Brennstoffzelle leicht abgebaut und wieder aufgebaut
werden.
Das heisst, dass in dem Brennstoffzellenstapel N, der die
aufeinandergestapelten Einheiten beinhaltet, das Dichtmittel SB1 des ersten
Abstandhalters 14, das durch das Gerät R zusammengedrückt und verfestigt
wurde, leicht abgetrennt werden. Wenn eine der
Festpolymerelektrolytmembranen 18, der ersten Abstandhalter 14 und der
zweiten Abstandhalter 16, der Brennstoffzelleneinheiten 10 ersetzt wird, kann
darum jede der Brennstoffzelleneinheiten 10 einfach ausgebaut und wieder
eingebaut werden. Daher ist die Wiederaufbaubarkeit verbessert. Weil das
klebende Dichtmittel SB an den ersten Abstandhalter 14 und an den zweiten
Abstandhalter 16 bindet, welche die Brennstoffzellenuntereinheit 12
aufnehmen, wird verhindert, dass diese Teile versehentlich während dem
Abbauen oder Aufbauen des Brennstoffzellenstapels getrennt werden.
Desweiteren adhäriert das Dichtmittel SB1 an die Vertiefungen 34 des zweiten
Abstandhalters 16, wodurch verhindert wird, dass das Dichtmittel SB1
während dem Zusammenbauen des Brennstoffzellenstapels versehentlich
abfällt.
Das zweite Beispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig.
41 erklärt. Das nicht-klebende, flüssige Dichtmittel SB1 wird in die Vertiefung
34 in der Oberfläche 16b des Abstandhalters 16 aufgetragen. Dann wird die
Oberfläche 14b des ersten Abstandhalters 14 auf das flüssige Dichtmittel SB1
auf der Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16 gesetzt und dann härtet
das flüssige Dichtmittel SB1 aus. Das klebende, flüssige Dichtmittel SB wird
dann in die Vertiefung 28 in der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters
16 aufgetragen. Während die Brennstoffzellenuntereinheit 12 zwischen dem
ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten Abstandhalter 16 aufgenommen
wird, wird das flüssige Dichtmittel SB in den Vertiefungen 28 erhitzt, um
auszuhärten. Somit ist die Brennstoffzelleneinheit 10 zusammengesetzt.
Dieses Beispiel bringt das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels
N wie folgt zum Ausdruck.
Die Festpolymerelektrolytmembran 18 wird durch die
Anodenseitendiffusionselektrode (die die Anodenelektrode 22 und die zweite
Diffusionsschicht 26 umfasst) und die Kathodenseitendiffusionselektrode (die
die Kathodenelektrode 20 und die zweite Diffusionsschicht 24 umfasst)
aufgenommen, wodurch die Membranelektrodenanordnung (die der
Brennstoffzellenuntereinheit 12 entspricht) erzeugt wird. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung durch ein Paar Abstandhalter 14 und 16
aufgenommen, um die Brennstoffzelleneinheit 10 zu erzeugen. Dann wird eine
Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 10 aufeinandergestapelt, um den
Brennstoffzellenstapel N zu erzeugen. In diesem Herstellungsverfahren wird das
nicht-klebende, flüssige Dichtmittel SB1 auf einen vorher festgelegten Bereich
(Vertiefung 34) einer der Oberflächen 16b des Abstandhalters aufgetragen.
Dann wird ein anderer Abstandhalter auf das flüssige Dichtmittel SB1 gesetzt
und das flüssige Dichtmittel wird ausgehärtet. Dann wird das klebende,
flüssige Dichtmittel SB auf einen vorher festgelegten Bereich (Vertiefung 28) in
der Oberfläche 16a gegenüber der Membranelektrodenanordnung aufgetragen.
Dann wird das klebende, flüssige Dichtmittel SB auf einen vorher festgelegten
Bereich (Vertiefung 28) in der Oberfläche 14a gegenüber der
Membranelektrodenanordnung aufgetragen. Während die
Brennstoffzellenuntereinheit 12 zwischen dem flüssigen Dichtmittel SB in einer
Vertiefung und dem flüssige Dichtmittel SB in der anderen Vertiefung
aufgenommen wird, wird das flüssige Dichtmittel erhitzt, um es auszuhärten.
Somit sind die Brennstoffzelleneinheiten 10 aufeinandergestapelt.
Gemäss dieser Struktur kann der Abstandhalter einer Brennstoffzelleneinheit
leicht von dem Abstandhalter der anderen Brennstoffzelleneinheit getrennt
werden. Darum kann die Brennstoffzelle leicht abgebaut und wieder aufgebaut
werden.
Weil in dem Brennstoffzellenstapel N, der durch Aufeinanderstapeln der
Einheiten hergestellt wurde, das nicht-klebende Dichtmittel SB1 den Raum
zwischen dem ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten Abstandhalter 16
abdichtet, können die Abstandhalter ausgebaut und wieder eingebaut werden.
Weil das klebende Dichtmittel SB1 an den ersten Abstandhalter 14 und an den
zweiten Abstandhalter 16, welche die Brennstoffzellenuntereinheit 12
aufnehmen, bindet, wird verhindert, dass diese Teile versehentlich während
dem Abbauen oder Aufbauen des Brennstoffzellenstapels getrennt werden.
Das dritte Beispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig.
42 erläutert.
Das klebende, flüssige Dichtmittel SB wird in die Vertiefung 28 des ersten
Abstandhalters 14 aufgetragen und das klebende, flüssige Dichtmittel SB wird
in die Vertiefung 28 in der Oberfläche 16a des zweiten Abstandhalters 16
aufgetragen. Dann wird die Brennstoffzellenuntereinheit 12 durch den ersten
Abstandhalter 14 und den zweiten Abstandhalter 16 aufgenommen und eine
Anzahl von Untereinheiten 12 werden aufeinandergestapelt und erhitzt, so
dass das flüssige Dichtmittel in eine feste Abdichtung aushärtet.
Dieses Beispiel bringt das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels
N wie folgt zum Ausdruck.
Die Festpolymerelektrolytmembran 18 wird durch die
Anodenseitendiffusionselektrode (die die Anodenelektrode 22 und die zweite
Diffusionsschicht 26 umfasst) und die Kathodenseitendiffusionselektrode (die
die Kathodenelektrode 20 und die zweite Diffusionsschicht 24 umfasst)
aufgenommen, wodurch die Membranelektrodenanordnung (die der
Brennstoffzellenuntereinheit 12 entspricht) erzeugt wird. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung durch ein Paar Abstandhalter 14 und 16
aufgenommen, um die Brennstoffzelleneinheit 10 zu erzeugen. Dann wird eine
Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 10 aufeinandergestapelt, um den
Brennstoffzellenstapel N zu erzeugen. In diesem Herstellungsverfahren wird das
klebende, flüssige Dichtmittel SB auf einen vorher festgelegten Bereich
(Vertiefung 28) in einer der Oberflächen 14a des Abstandhalters gegenüber der
Membranelektrodenanordnung aufgetragen. Das nicht-klebende, flüssige
Dichtmittel SB1 wird auf einen vorher festgelegten Bereich (Vertiefung 34) in
der anderen Oberfläche des Abstandhalters aufgetragen. Das klebende, flüssige
Dichtmittel SB wird auf einen vorher festgelegten Bereich (Vertiefung 28) in
der Oberfläche 16a eines anderen Abstandhalters gegenüber der
Membranelektrodenanordnung aufgetragen. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung zwischen den Abstandhaltern aufgenommen
und eine Anzahl von Einheiten wird aufeinandergestapelt und erhitzt, um
auszuhärten.
Gemäss dieser Struktur kann der Abstandhalter einer
Brennstoffzellenuntereinheit leicht von dem Abstandhalter der anderen
Brennstoffzellenuntereinheit getrennt werden. Darum kann die Brennstoffzelle
leicht abgebaut und wieder aufgebaut werden. Desweiteren ist das Verfahren
nicht in zwei Schritte unterteilt, wie in den ersten und zweiten Beispielen
beschrieben und das klebende, flüssige Dichtmittel und das nicht-klebende,
flüssige Dichtmittel härten zum selben Zeitpunkt aus, wodurch die Anzahl der
Schritte verringert und die Produktivität verbessert wird.
Weil in dem Brennstoffzellenstapel N, der durch Aufeinanderstapeln der
Einheiten hergestellt wurde, das nicht-klebende Dichtmittel SB1 den Raum
zwischen dem ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten Abstandhalter 16
abdichtet, können die Abstandhalter ausgebaut und wieder eingebaut werden.
Weil das klebende Dichtmittel SB an den ersten Abstandhalter 14 und zweiten
Abstandhalter 16, welche die Brennstoffzellenuntereinheit 12 aufnehmen,
bindet, wird verhindert, dass diese Teile versehentlich während dem Abbauen
oder Aufbauen des Brennstoffzellenstapels in einer ähnlichen Art und Weise
wie in den ersten und zweiten Beispielen getrennt werden.
Das vierte Beispiel wird mit Bezugnahme auf Fig. 43 erläutert. Das flüssige
Dichtmittel SB wird in die Vertiefung 28 in der Oberfläche 16a des zweiten
Abstandhalters 16 aufgetragen. Das klebende, flüssige Dichtmittel SB wird in
die Vertiefung 28 des ersten Abstandhalters 14 aufgetragen. Dann wird die
Brennstoffzellenuntereinheit 12 durch den zweiten Abstandhalter 16 und den
ersten Abstandhalter 14 aufgenommen und das flüssige Dichtmittel wird
erhitzt, um auszuhärten. Somit ist die Brennstoffzelleneinheit 10
zusammengebaut. Dann wird das nicht-klebende, feste Dichtmittel KS1 in die
Vertiefung 34 in der Oberfläche 16b des zweiten Abstandhalters 16
aufgebracht. Das feste Dichtmittel KS1 könnte an die Vertiefung 34
adhärieren.
Dieses Beispiel bringt das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels
N wie folgt zum Ausdruck.
Die Festpolymerelektrolytmembran 18 wird durch die
Anodenseitendiffusionselektrode (die die Anodenelektrode 22 und die zweite
Diffusionsschicht 26 umfasst) und die Kathodenseitendiffusionselektrode (die
die Kathodenelektrode 20 und die zweite Diffusionsschicht 24 umfasst)
aufgenommen, wodurch die Membranelektrodenanordnung (die der
Brennstoffzellenuntereinheit 12 entspricht) erzeugt wird. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung durch ein Paar Abstandhalter 14 und 16
aufgenommen, um die Brennstoffzelleneinheit 10 zu erzeugen. Dann werden
eine Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 10 aufeinandergestapelt, um den
Brennstoffzellenstapel N zu erzeugen. In diesem Herstellungsverfahren wird das
klebende, flüssige Dichtmittel SB in einen vorher festgelegten Bereich
(Vertiefung 28) in einer der Oberflächen 14a des Abstandhalters gegenüber der
Membranelektrodenanordnung aufgetragen. Das klebende, flüssige Dichtmittel
SB1 wird in einen vorher festgelegten Bereich (Vertiefung 28) in der Oberfläche
16a eines anderen Abstandhalters gegenüber der
Membranelektrodenanordnung aufgetragen. Dann wird die
Membranelektrodenanordnung durch die Abstandhalter aufgenommen und das
flüssige Dichtmittel SB wird erhitzt, um auszuhärten. Dann wird das nicht-
klebende feste Dichtmittel KS1 in einem vorher festgelegten Bereich
(Vertiefung 34) in der anderen Oberfläche 16b des Abstandhalters aufgebracht.
Dann wird eine Anzahl von Einheiten aufeinandergestapelt.
Gemäss dieser Struktur kann der Abstandhalter einer
Brennstoffzellenuntereinheit leicht von dem Abstandhalter der anderen
Brennstoffzellenuntereinheit getrennt werden. Darum kann die Brennstoffzelle
leicht abgebaut und wieder aufgebaut werden. Weil das feste Dichtmittel zum
Zeitpunkt des Einbaus gebildet wurde, wurde das feste Dichtmittel desweiteren
nur in dem vorher festgelegten Bereich angebracht, wodurch der Schritt des
Auftragens des flüssigen Dichtmittels beseitigt und die Produktivität erhöht
wurde.
Das heisst, dass in dem Brennstoffzellenstapel N, der die gestapelten Einheiten
beinhaltet, das Dichtmittel KS1 leicht getrennt werden kann. Der Ersatz einer
der Brennstoffzelleneinheiten 10 ist einfach und die Wiederaufbaubarkeit ist
daher verbessert.
Weil das klebende Dichtmittel SB an den ersten Abstandhalter 14 und den
zweiten Abstandhalter 16, welche die Brennstoffzellenuntereinheit 12
aufnehmen, bindet, wird verhindert, dass diese Teile versehentlich während
dem Abbauen oder Aufbauen des Brennstoffzellenstapels in einer zu den ersten
und zweiten Beispielen ähnlichen Art und Weise getrennt werden.
Gemäss den Beispielen wird eine Anzahl von Einheiten der ersten
Abstandhaltern 14, der Brennstoffzellenuntereinheiten 12 und der zweiten
Abstandhaltern 16 aufeinandergestapelt. Dann werden die erste Endplatte 80
und die zweite Endplatte 82 befestigt. Somit ist der Brennstoffzellenstapel N
zusammengebaut.
Wie in den Fig. 44 und 45 gezeigt, wurde die Scherfestigkeit von zwei
Abstandhaltern SP, die durch das Dichtmittel S verbunden sind, welches zum
Zeitpunkt der Auftragung flüssig war, gemessen. Die Länge des überlappenden
Bereiches in der Längsrichtung der zwei Abstandhalter SP beträgt 20 mm, die
Breite des überlappenden Bereiches beträgt 25 mm und die
Zuggeschwindigkeit beträgt 50 mm/min.
Die Tabelle 4 zeigt die Arten des getesteten flüssigen Dichtmittels und der
getesteten Materialien der Abstandhaltern. Das hitzehärtbare, fluorhaltige
Dichtmittel 1 und das hitzehärtbare, fluorhaltige Dichtmittel 2 härten für drei
Stunden bei 120°C aus. Von den Abstandhaltermaterialien ist die gepresste
Kohle aus 80% Kohlepulver und 20% Phenolharz hergestellt und die gebrannte
Kohle wird aus einer gebrannten Kohleplatte ausgeschnitten und prozessiert.
Die Ergebnisse des Experiments sind in Fig. 46 gezeigt. In der Fig. 46 stellt die
vertikale Achse die Scheradhäsionsfestigkeit (kgf/cm2) dar und die horizontale
Achse stellt die getesteten Materialien dar. Gemäss dem Experiment wird das
Abstandhaltermaterial aus der gepressten Kohle, der gebrannten Kohle, dem
SUS316 (rostfreier Stahl) oder Al, welches durch das hitzehärtbare, fluorhaltige
Dichtmittel 1 gebunden ist, nicht abgetrennt, sogar wenn die Abstandhalter
beschädigt werden. Desweiteren erreicht das hitzehärtbare Siliciumdichtmittel
(Additionsreaktionstyp) die gleichen Effekte.
Wenn das hitzehärtbare Siliciumdichtmittel verwendet wird, beträgt die
Scheradhäsionsfestigkeit der gepressten Kohle oder der gebrannten Kohle
wenigstens 2 kgf/cm2. Während dem Entwerfen der Brennstoffzelleneinheit
oder einer Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten als Modul, kann darum jedes
Modul gestapelt oder entfernt werden, wodurch die Trennung der
Abstandhalter verhindert wird, wenn die Scheradhäsionsfestigkeit der
Abstandhalter gleich oder grösser als 2 kgf/cm2 ist. Das klebende Dichtmittel
der vorliegenden Erfindung weist eine Scheradhäsionsfestigkeit gleich oder
grösser als 2 kgf/cm2 auf.
Das hitzehärtbare, fluorhaltige Dichtmittel 2 weist keine klebende funktionelle
Gruppe auf. Nachdem dieses Dichtmittel auf den gebrannten
Kohleabstandshalter oder den gepressten Kohleabstandshalter aufgetragen wurde
und ausgehärtet wurde, um die Brennstoffzellenuntereinheit zu
vervollständigen, sind die Abstandhalter leicht und manuell zu trennen.
Da die Scheradhäsionsfestigkeit der Abstandhalter des hitzehärtbaren,
fluorhaltigen Dichtmittels 2 0 bis 0,5 kgf/cm2 beträgt. Wenn die
Scheradhäsionsfestigkeit gleich oder kleiner als 0,5 kgf/cm2 ist, kann eine
defekte Brennstoffzelleneinheit 10 leicht von dem Brennstoffzellenstapel
entfernt werden.
Mehr bevorzugt, weist das erfindungsgemässe nicht-klebende Dichtmittel eine
Scheradhäsionsfestigkeit von gleich oder kleiner als 0,5 kgf/cm2 auf. Das
schwach klebende Dichtmittel, das eine Scheradhäsionsfestigkeit von 0,5 bis 2 kgf/cm2
aufweist ist in dem nicht-klebenden Dichtmittel eingeschlossen.
Wie oben beschrieben werden das nicht-klebende Dichtmittel und das klebende
Dichtmittel basierend auf der Scheradhäsionsfestigkeit zum Zeitpunkt der
Auftragung und nicht basierend auf den Arten des Dichtmittels unterschieden.
Beispielsweise selbst wenn das aufgetragene klebende Dichtmittel, das in
engen Kontakt mit dem Abstandhalter kam und erhitzt wurde, um auszuhärten,
eine Scheradhäsionsfestigkeit von gleich oder grösser als 2 kgf/cm2 aufweist,
weist das gleiche aufgetragene klebende Dichtmittel, das für eine vorher
festgelegte Zeitdauer getrocknet wurde und in Kontakt mit dem Abstandhalter
kam, eine Scheradhäsionsfestigkeit unter 2 kgf/cm2 auf. Dieses Dichtmittel ist
ein nicht-klebendes Dichtmittel (schwach klebendes Dichtmittel).
Gemäss der obigen Ausführungsformen wird die Brennstoffzellenuntereinheit
12 zwischen dem ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten Abstandhalter 16
aufgenommen. Das klebende, flüssige Dichtmittel SB wird bereitgestellt, um
das Austreten des Reaktionsgases zu den Rändern der Anodenelektrode 22,
der zweiten Diffusionsschicht 26, der Kathodenelektrode 20 und der ersten
Diffusionsschicht 24 zu verhindern. Das nicht-klebende, flüssige Dichtmittel
SB1 oder das flüssige Dichtmittel KS1 wird zwischen der Oberfläche 14b eines
anderen ersten Abstandhalters 14 und der Oberfläche 16b des zweiten
Abstandshalters 16 bereitgestellt. Darum kann das nicht-klebende Dichtmittel
SB1 (oder KS1) leicht von dem ersten Abstandhalter 14 und dem zweiten
Abstandhalter 16 abgetrennt werden.
Während dem Ersatz einer der Brennstoffzelleneinheiten 10 mit dem
beschädigten ersten Abstandhalter 14 oder dem zweitem Abstandhalter 16,
können die ersten Abstandhalter 14 und die zweiten Abstandhalter 16 leicht
auseinandergebaut und wieder zusammengebaut werden. Daher ist die
Wiederaufbaubarkeit verbessert. Weil das klebende Dichtmittel SB an den
ersten Abstandhalter 14 und an den zweiten Abstandhalter 16, welche die
Brennstoffzellenuntereinheit 12 aufnimmt, bindet, wird verhindert, dass diese
Teile versehentlich während dem Abbauen oder Aufbauen des
Brennstoffzellenstapels getrennt werden.
Desweiteren kommt das flüssige Dichtmittel SB in direkten Kontakt mit dem
hervortretenden Teil 18a, der am Rand der Festpolymerelektrolytmembran 18
bereitgestellt wird, zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und den
ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 zusammengedrückt, passt sich
an die verschiedenen Grössen der Abdichtungsbereiche an und hält die
Gasundurchlässigkeit zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und den
ersten und zweiten Abstandhaltern 14 und 16 aufrecht, während ein
gleichmässiger Druck auf die Vertiefungen 28, 30, 34 und 35 beibehalten
wird. Darum ist die Reaktionskraft, die durch die Abdichtungen erzeugt wird,
einheitlich über den Rand zwischen den ersten und zweiten Abstandhaltern 14
und 16 und der Brennstoffzellenuntereinheit 12, wodurch die Abdichtung
einheitlich gemacht wird.
Selbst wenn die Festpolymerelektrolytmembran 18 Falten entwickelt, kann das
flüssige Dichtmittel S dementsprechend zusammengedrückt werden und
verhindert daher die Falten der Festpolymerelektrolytmembran 18.
Die vierte Ausführungsform erzielt ähnliche Effekte wie die der ersten bis
dritten Ausführungsformen.
Diese Erfindung kann in anderen Formen ausgeführt werden oder auf andere
Art und Weisen durchgeführt werden, ohne dass man von dem
Erfindungsgedanken abweicht. Die vorliegenden Ausführungsformen sind
deshalb in jeglicher Hinsicht als erläuternd und nicht als limitierend anzusehen,
wobei der Umfang der Erfindung durch die angehängten Ansprüche angezeigt
wird und es beabsichtigt ist, dass alle Abänderungen, die innerhalb der
Bedeutung und dem Bereich der Äquivalenz liegen, hierin eingeschlossen sind.
Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung umfasst: eine
Membranelektrodenanordnung, die eine Festpolymerelektrolytmembran, eine
Anodenseitendiffusionselektrode (eine Anodenelektrode und eine zweite
Diffusionsschicht), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran
angeordnet ist und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (eine
Kathodenelektrode und eine erste Diffusionsschicht), die auf der anderen Seite
der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; ein Paar
Abstandhalter, welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen; ein
hervortretender Teil, der sich von der Festpolymerelektrolytmembran ausdehnt
und der von den Rändern der Anodenseitendiffusionselektrode und der
Kathodenseitendiffusionselektrode hervortritt; und eine Abdichtung, die auf den
Abstandhaltern bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein
flüssiges Dichtmittel war. Die Abdichtung kommt mit dem hervortretenden Teil
in Kontakt, während die Membranelektrodenanordnung zwischen den
Abstandhaltern angeordnet ist.
Claims (22)
1. Brennstoffzelle, umfassend:
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen; ein hervortretender Teil (18a), der sich von der Festpolymerelektrolytmembran ausdehnt und der von den Rändern der Anodenseitendiffusionselektrode und der Kathodenseitendiffusionselektrode hervortritt; und
eine Abdichtung (S), die auf den Abstandhaltern bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, wobei
die Abdichtung mit dem hervortretenden Teil in Kontakt kommt, während die Membranelektrodenanordnung zwischen den Abstandhaltern angeordnet ist.
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen; ein hervortretender Teil (18a), der sich von der Festpolymerelektrolytmembran ausdehnt und der von den Rändern der Anodenseitendiffusionselektrode und der Kathodenseitendiffusionselektrode hervortritt; und
eine Abdichtung (S), die auf den Abstandhaltern bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, wobei
die Abdichtung mit dem hervortretenden Teil in Kontakt kommt, während die Membranelektrodenanordnung zwischen den Abstandhaltern angeordnet ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Abdichtung in Vertiefungen
bereitgestellt sind, die in den Abstandhaltern gebildet sind.
3. Brennstoffzeile nach Anspruch 1, wobei die Breite e des hervortretenden
Teiles gleich oder grösser als 3/2 × C ist, wenn der Durchmesser des
aufgetragenen flüssigen Dichtmittels C ist.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser des
aufgetragenen flüssigen Dichtmittels gleich oder grösser als 0,9 mm ist.
5. Brennstoffzelle umfassend:
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
eine Abdichtung (SA1), die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, welche die Öffnungen der Abstandhalter umgibt, wobei die Abdichtung auf einem Abstandhalter mit dem Dichtmittel auf dem anderen Abstandhalter in Kontakt kommt, um den Rand der Öffnung abzudichten.
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
eine Abdichtung (SA1), die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, welche die Öffnungen der Abstandhalter umgibt, wobei die Abdichtung auf einem Abstandhalter mit dem Dichtmittel auf dem anderen Abstandhalter in Kontakt kommt, um den Rand der Öffnung abzudichten.
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Abstandhalter Vertiefungen
aufweisen, welche die Öffnungen umgeben und die Abdichtung in den
Vertiefungen bereitgestellt ist.
7. Brennstoffzelle umfassend:
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
eine Abdichtung (SA1), die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, welche die Öffnungen von einem der Abstandhalter umgibt und welche mit dem anderen Abstandhalter in Kontakt kommt, um den Rand der Öffnung abzudichten.
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
eine Abdichtung (SA1), die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war, welche die Öffnungen von einem der Abstandhalter umgibt und welche mit dem anderen Abstandhalter in Kontakt kommt, um den Rand der Öffnung abzudichten.
8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei einer der Abstandhalter eine
Vertiefung aufweist, welche die Öffnung umgibt und das Dichtmittel in
den Vertiefungen bereitgestellt ist.
9. Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzelleneinheiten aufweist,
wobei jede Brennstoffzelleneinheit umfasst:
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (14, 16), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen;
eine Abdichtung (SB), die zwischen den Abstandhaltern bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war;
eine nicht-klebende Abdichtung (SB1), die zwischen dem Abstandhalter einer Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter der anderen Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt wird.
eine Membranelektrodenanordnung (12), die eine Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode (22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (14, 16), die auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist, aufweist;
ein Paar Abstandhalter (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen;
eine Abdichtung (SB), die zwischen den Abstandhaltern bereitgestellt wird, die zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war;
eine nicht-klebende Abdichtung (SB1), die zwischen dem Abstandhalter einer Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter der anderen Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt wird.
10. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei die nicht-klebende
Abdichtung zum Zeitpunkt der Auftragung ein flüssiges Dichtmittel war.
11. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei die nicht-klebende
Abdichtung zum Zeitpunkt der Auftragung ein festes Dichtmittel war.
12. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine
Membranelektrodenanordnung (12) beinhaltet, die eine
Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode
(22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran
angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die
auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist,
aufweist, umfassend die Schritte:
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen;
Auftragen von flüssigem Dichtmittel (S) auf die Abstandhalter;
in Kontakt bringen des flüssigen Dichtmittels mit einem hervortretenden Teil (18a) an einem Rand der Festpolymerelektrolytmembran, der von den Kanten der Anodenseitendiffusionselektrode und der Kathodenseitendiffusionselektrode hervortritt; und
Aufnehmen der Membranelektrodenanordnung zwischen einem Paar von Abstandhaltern; und
Erhitzen des flüssigen Dichtmittels, um es auszuhärten.
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen;
Auftragen von flüssigem Dichtmittel (S) auf die Abstandhalter;
in Kontakt bringen des flüssigen Dichtmittels mit einem hervortretenden Teil (18a) an einem Rand der Festpolymerelektrolytmembran, der von den Kanten der Anodenseitendiffusionselektrode und der Kathodenseitendiffusionselektrode hervortritt; und
Aufnehmen der Membranelektrodenanordnung zwischen einem Paar von Abstandhaltern; und
Erhitzen des flüssigen Dichtmittels, um es auszuhärten.
13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiter den Schritt des Auftragens des
Dichtmittels in Vertiefungen umfasst, die in dem Abstandhalter gebildet
sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Auftragens des
flüssigen Dichtmittels, die Breite e des hervortretenden Teiles gleich oder
grösser als 3/2 × C ist, wenn der Durchmesser des aufgetragenen
flüssigen Dichtmittels C ist.
15. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Auftragens
des flüssigen Dichtmittels, der Durchmesser des aufgetragenen flüssigen
Dichtmittels gleich oder grösser als 0,9 mm ist.
16. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine
Membranelektrodenanordnung (12) beinhaltet, die eine
Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode
(22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran
angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die
auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist,
aufweist, umfassend die Schritte:
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
Auftragen von flüssigem Dichtmittel (SA1) auf die Abstandhalter, um die Öffnungen zu umgeben; und
in Kontakt bringen des Dichtmittels auf dem einen Abstandhalter mit dem Dichtmittel auf dem anderen Abstandhalter, um den Rand der Öffnung abzudichten.
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
Auftragen von flüssigem Dichtmittel (SA1) auf die Abstandhalter, um die Öffnungen zu umgeben; und
in Kontakt bringen des Dichtmittels auf dem einen Abstandhalter mit dem Dichtmittel auf dem anderen Abstandhalter, um den Rand der Öffnung abzudichten.
17. Verfahren nach Anspruch 16, das weiter die Schritte umfasst:
Bildung von Vertiefungen, welche die Öffnungen der Abstandhalter umgeben; und
Auftragen von Dichtmittel in die Vertiefungen.
Bildung von Vertiefungen, welche die Öffnungen der Abstandhalter umgeben; und
Auftragen von Dichtmittel in die Vertiefungen.
18. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine
Membranelektrodenanordnung (12) beinhaltet, die eine
Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode
(22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran
angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die
auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist,
aufweist, umfassend die Schritte:
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
Auftragen von flüssigem Dichtmittel (SA1) auf die Abstandhalter, um die Öffnungen zu umgeben; und
in Kontakt bringen des Dichtmittels mit dem anderen Abstandhalter, um den Rand der Öffnung abzudichten.
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen, wobei jeder Abstandhalter eine Öffnung für die Zufuhr oder Entnahme eines ausgewählt aus Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmedium zu oder aus der Membranelektrodenanordnung aufweist;
Auftragen von flüssigem Dichtmittel (SA1) auf die Abstandhalter, um die Öffnungen zu umgeben; und
in Kontakt bringen des Dichtmittels mit dem anderen Abstandhalter, um den Rand der Öffnung abzudichten.
19. Verfahren nach Anspruch 18, das weiter die Schritte umfasst:
Bilden einer Vertiefung, welche die Öffnung von einem der Abstandhaltern umgibt; und
Auftragen des Dichtmittels in die Vertiefung.
Bilden einer Vertiefung, welche die Öffnung von einem der Abstandhaltern umgibt; und
Auftragen des Dichtmittels in die Vertiefung.
20. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere
Brennstoffzelleneinheiten aufweist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit
eine Membranelektrodenanordnung (12) umfasst, die eine
Festpolymerelektrolytmembran (18), eine Anodenseitendiffusionselektrode
(22, 26), die auf einer Seite der Festpolymerelektrolytmembran
angeordnet ist, und eine Kathodenseitendiffusionselektrode (20, 24), die
auf der anderen Seite der Festpolymerelektrolytmembran angeordnet ist,
aufweist, umfassend die Schritte:
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen;
Auftragen eines klebenden, flüssigen Dichtmittels (SB1) zwischen den Abstandhaltern;
Auftragen eines Dichtmittels (SB) zwischen dem Abstandhalter der einen Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter der anderen Brennstoffzelleneinheit, wobei das Dichtmittel nicht-klebend ist, wenn der Brennstoffzellenstapel fertiggestellt ist.
Herstellen eines Paares von Abstandhaltern (14, 16), welche die Membranelektrodenanordnung aufnehmen;
Auftragen eines klebenden, flüssigen Dichtmittels (SB1) zwischen den Abstandhaltern;
Auftragen eines Dichtmittels (SB) zwischen dem Abstandhalter der einen Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter der anderen Brennstoffzelleneinheit, wobei das Dichtmittel nicht-klebend ist, wenn der Brennstoffzellenstapel fertiggestellt ist.
21. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, wobei das nicht-klebende
Dichtmittel in dem Schritt des Auftragens des Dichtmittels zwischen dem
Abstandhalter der einen Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter
der anderen Brennstoffzelleneinheit flüssig ist.
22. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, wobei das nicht-klebende
Dichtmittel in dem Schritt des Auftragens des Dichtmittels zwischen dem
Abstandhalter der einen Brennstoffzelleneinheit und dem Abstandhalter
der anderen Brennstoffzelleneinheit flüssig ist.
Applications Claiming Priority (8)
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---|---|---|---|
JP2000133865A JP3660205B2 (ja) | 2000-05-02 | 2000-05-02 | 燃料電池及びその製造方法 |
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