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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die
eine Elektrolytelektrodenanordnung und Separatoren enthält, welche
die Elektrolytelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnung
enthält
ein Paar von Elektroden und ein zwischen den Elektroden angeordnetes
Elektrolyt. In der Brennstoffzelle sind Reaktionsgasströmungsfelder
auf den Oberflächen
der Separatoren ausgebildet, um entlang den Oberflächen der
Separatoren Reaktionsgase zuzuführen.
Jedes der Reaktionsgasströmungsfelder
ist mit einer Reaktionsgaszufuhrleitung und einer Reaktionsgasabführleitung verbunden.
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Herkömmlich verwendet eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwei Elektroden (Anode
und Kathode) sowie eine zwischen den Elektroden angeordnete Elektrolytmembrane
enthält.
Die Elektrolytmembrane ist eine Polymerionenaustauschermembrane. Diese
Membranelektrodenanordnung ist zwischen den Separatoren angeordnet.
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In der Brennstoffzelle wird ein Brenngas
(Reaktionsgas), wie etwa ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes
Gas (wasserstoffhaltiges Gas) der Anode zugeführt. Der Katalysator der Anode
induziert eine chemische Reaktion des Brenngases, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen
(Protonen) und Elektronen zu spalten. Die Wasserstoffionen bewegen
sich durch das Elektrolyt zu der Kathode, und die Elektronen fließen durch
eine externe Schaltung zu der Kathode, wodurch ein elektrischer
Gleichstrom erzeugt wird. Der Kathode wird ein hauptsächlich Sauerstoff
enthaltendes Gas (sauerstoffhaltiges Gas) oder Luft zugeführt. An
der Kathode verbinden sich die Wasserstoffionen von der Anode mit
den Elektronen und Sauerstoff, zur Herstellung von Wasser.
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In der Brennstoffzelle fließen das
Brenngas, das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel durch ihre zugeordneten
Fluidleitungen, die hermetisch abgedichtet sind, um Gas oder Flüssigkeitsaustritte
zu verhindern. Typischerweise sind Dichtungselemente zwischen der
Membranelektrodenanordnung und dem Separator angeordnet, um Leckagen
zu verhindern. Es sind verschiedene Typen von Dichtungselementen
bekannt. Z.B. offenbart das U.S. Patent Nr. 5,284,718 eine Dichtungsstruktur,
wie sie in 10 gezeigt
ist. Gemäß dieser
Druckschrift umfasst eine Membranelektrodenanordnung (Membranelektroden-
und Dichtungsanordnung) ein poröses,
elektrisch leitfähiges
Blattmaterial 1.
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Das elektrisch leitfähige Blattmaterial 1 enthält eine
Lufteinlassöffnung 2a und
eine Luftauslassöffnung 2b an
einer Ecke, sowie eine Sauerstoffeinlassöffnung 3a und eine
Sauerstoffauslassöffnung 3b an
der anderen Ecke. Ferner sind eine Kühlmitteleinlassöffnung 4a und
eine Kühlmittelauslassöffnung 4b an
einer Ecke diagonal gegenüber
der Ecke der Wasserstoffeinlassöffnung 3a und
der Sauerstoffauslassöffnung 3b ausgebildet.
In dem elektrisch leitfähigen Blattmaterial 1 ist
eine massive Dichtung 5 vorgesehen. Die Dichtung 5 wird
in einem Kanal 6 angeordnet, wenn der Brennstoffzellenstapel
zusammengebaut wird.
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Die Dichtung 5 enthält Dichtungselemente 5a,
die eine Außenfläche des
elektrisch leitfähigen Blattmaterials 1 umgeben.
Die Dichtungselemente 5a sind mit den Dichtungselementen 5b verbunden. Somit
sind Dichtungsverbindungen 5c zum Verbinden der Dichtungselemente 5a, 5b auf
der Dichtoberfläche
der Dichtung 5 vorgesehen.
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Bei dieser Struktur ist jedoch die
Wahrscheinlichkeit hoch, dass benachbarte Dichtungselemente 5a, 5b einander
stören.
Insbesondere nimmt der örtliche
Liniendruck oder Oberflächendruck,
der auf die Dichtungsverbindung 5c ausgeübt wird, übermäßig zu.
Demzufolge könnte sich
das elektrisch leitfähige
Blattmaterial ungewünscht
verformen, sodass die gewünschte
Dichtleistung nicht erreicht werden kann.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist es
daher, eine Brennstoffzelle mit einer einfachen Struktur anzugeben,
worin der auf die Dichtungselemente ausgeübte Liniendruck oder Oberflächendruck örtlich nicht
ansteigt, sodass die Dichtleistung beibehalten werden kann und eine
gewünschte
Stromerzeugungsleistung erreicht werden kann.
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Erfindunggemäß wird eine Dichtungsstruktur zwischen
der Elektrolytelektrodenanordnung und dem Separator angegeben, die
zumindest eine Elektrode, eine Reaktionsgaszufuhrleitung und eine
Reaktionsgasauslassleitung umgibt. Die Dichtungsstruktur enthält eine
Dichtungsverbindung und zumindest zwei Dichtungselemente, die mit
bzw. an der Dichtungsverbindung verbunden sind. Ein Innenwinkel
der Dichtungsverbindung, der durch Mittellinien der Dichtungselemente
definiert ist, liegt im Bereich von 40° bis 90°, und die Dichtungsverbindung
enthält einen
gekrümmten
Abschnitt zum Verbinden der Dichtungselemente.
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Da der durch die Mittellinien der
Dichtungselemente definierte Innenwinkel an der Dichtungsverbindung
im Bereich von 40° bis
90° liegt,
steigt der auf die Dichtungsverbindung ausgeübte Oberflächendruck nicht übermäßig an,
wenn die Dichtungselemente zusammengedrückt werden. Der Druck wird
auf die Gesamtoberflächen
der Dichtungselemente gleichmäßig ausgeübt. Da die
Dichtungsverbindung den gekrümmten
Abschnitt zum Verbinden der Dichtungselemente aufweist, tritt an
der Dichtungsverbindung keine Spannungskonzentration auf. Die Differenz
zwischen dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck und dem auf den geraden
Abschnitt des Dichtungselements ausgeübten Oberflächendruck ist klein.
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Somit werden ungewünschte Wechselwirkungen
zwischen den Dichtungselementen verhindert. Der Oberflächendruck
oder Liniendruck steigt örtlich
nicht an.
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Der gekrümmte Abschnitt der Dichtungsverbindung
hat einen Krümmungsradius
R im Bereich von 6,0 mm bis 9,0 mm. Somit ist die Differenz zwischen
dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck und dem auf den geraden
Abschnitt des Dichtungselements ausgeübten Oberflächendruck klein, und der maximale
Innendruck der Dichtungsstruktur ist außerordentlich hoch.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale
und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungen
der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
gezeigt sind.
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1 ist
eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle
gemäß einer
Ausführung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht von Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels, der
durch Stapeln der Brennstoffzellen gebildet ist;
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3 ist
eine Vorderansicht eines ersten Metallseparators der Brennstoffzelle;
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4 zeigt
Hauptkomponenten einer ersten Dichtungsstruktur, die in dem ersten
Metallseparator vorgesehen ist;
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines Dichtungselements der Brennstoffzelle;
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6 ist
eine Graphik, die eine Beziehung zwischen dem Oberflächendruck,
der auf einen geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird, und
dem Oberflächendruck,
der auf eine Dichtungsverbindung ausgeübt wird, bei verschiedenen
Innenwinkeln zeigt;
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7 ist
eine Graphik, die eine Beziehung zwischen dem auf die Dichtungsverbindung
ausgeübten
Oberflächendruck
und Dichtungsbreite zeigt;
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8 zeigt
eine Beziehung zwischen dem erhöhten
Betrag des Oberflächendrucks,
der auf die Dichtungsverbindung ausgeübt wird, und dem durchschnittlichen
Oberflächendruck,
der auf einen geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird, bei
unterschiedlichen Krümmungsradien;
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9 zeigt
eine Beziehung zwischen dem maximalen Innendruck und dem Krümmungsradius; und
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10 ist
eine Vorderansicht einer herkömmlichen
Dichtungsstruktur.
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1 ist
eine Explosionsperspektivansicht, welche Hauptkomponenten einer
Brennstoffzelle 10 gemäß einer
Ausführung
zeigt; und 2 ist eine Querschnittsansicht,
die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels 12 zeigt,
der durch Stapeln der Mehrzahl der Brennstoffzellen 10 gebildet
ist.
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Wie in 2 gezeigt,
wird der Brennstoffzellenstapel 2 gebildet, indem eine
Mehrzahl der Brennstoffzellen 10 in der mit dem Pfeil A
angegebenen Richtung gestapelt werden. Endplatten 14a, 14b sind an
in der Stapelrichtung entgegengesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen.
Die Endplatten 14a, 14b sind durch Koppelstangen
(nicht gezeigt) befestigt, um die Brennstoffzellen 10 mit
einer vorbestimmten Dichtziehkraft in der mit dem Pfeil A angegebenen
Richtung dichtzuziehen.
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Wie in 1 gezeigt,
enthält
die Brennstoffzelle 10 eine Membranelektrodenanordnung
(Elektrolytelektrodenanordnung) 16 sowie erste und zweite
Metallseparatoren 18, 20, die die Membranelektrodenanordnung 16 zwischen
sich aufnehmen. Z.B. sind die ersten und zweiten Metallseparatoren 18, 20 rostfreie
Stahlplatten, Aluminiumplatten, plattierte Stahlbleche oder Metallplatten,
die durch Oberflächenbehandlung
antikorrosive Oberflächen
haben. Die ersten und zweiten Metallseparatoren 18, 20 haben
eine Dicke im Bereich von z.B. 0,05 mm bis 1,0 mm. Anstatt der ersten
und zweiten Metallseparatoren 18, 20 können Kohlenstoffseparatoren
oder abgeschieferte Graphitseparatoren verwendet werden.
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Wie in 1 gezeigt,
sind am einen horizontalen Ende der Brennstoffzelle 10 in
der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung
(Reaktionsgaszufuhrleitung) 30a zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen
Gases, eine Kühlmittelabführleitung 32b zum
Abführen
eines Kühlmittels
sowie eine Brenngasabführleitung
(Reaktionsgasabführleitung) 34b zum
Abführen
eines Brenngases, wie etwa eines wasserstoffhaltigen Gases, vertikal
in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a,
die Kühlmittelabführleitung 32b und
die Brengasabführleitung 34b erstrecken
sich durch die Brennstoffzelle 10 in der mit dem Pfeil
A angegebenen Stapelrichtung.
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An dem anderen horizontalen Ende
der Brennstoffzelle 10 in der mit dem Pfeil B angegebenen
Richtung sind eine Brenngaszuführleitung
(Reaktionsgaszuführleitung) 34a zum
Zuführen
des Brenngases, eine Kühlmittelzuführleitung 32a zum Zuführen des
Kühlmittels
sowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung (Reaktionsgasabführleitung) 30b zum
Abführen
des sauerstoffhaltigen Gases vertikal in der mit dem Pfeil C angegebenen
Richtung angeordnet. Die Brenngaszuführleitung 34a, die Kühlmittelzuführleitung 32a und
die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung
30b erstrecken
sich durch die Brennstoffzelle 10 in der mit dem Pfeil
A angegebenen Richtung.
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Die Membranelektrodenanordnung 16 umfasst
eine Anode 38, eine Kathode 40 sowie eine Festpolymer-Elektrolytmembrane 36,
die zwischen der Anode 38 und der Kathode 40 angeordnet
ist. Die Festpolymer-Elektrolytmembrane 36 ist gebildet,
indem z.B. eine dünne
Membrane aus Perfluorsulfonsäure
mit Wasser imprägniert
wird.
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Jede Anode 38 und Kathode 40 enthält eine Gasdiffusionsschicht,
wie etwa ein Kohlepapier, sowie eine Elektrodenkatalysatorschicht
aus Platinlegierung, die auf porösen
Kohlenstoffpartikeln angebracht ist. Die Kohlenstoffpartikel sind
gleichmäßig auf
die Oberfläche
der Gasdiffusionsschicht aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht
der Anode 38 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 40 sind
jeweilsan beiden Oberflächen
der Festpolymer-Elektrolytmembrane 36 fixiert.
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Der erste Metallseparator 40 weist
auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 16 weisenden Oberfläche 18a ein
Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld
(Reaktionsgasströmungsfeld) 42 auf.
Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 enthält eine
Mehrzahl von Nuten, die sich z.B. in der mit dem Pfeil B angegebenen
Richtung geradeaus erstrecken. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 ist
am einen Ende mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a verbunden
und ist am anderen Ende mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b verbunden.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, weist der zweite
Metallseparator 20 auf seiner zu der Membranelektrodenanordnung 16 weisenden
Oberfläche 20a ein
Brenngasströmungsfeld
(Reaktionsgasströmungsfeld) 44 auf.
Das Brenngasströmungsfeld 44 enthält eine
Mehrzahl von Nuten, die sich in der mit dem Pfeil B angegebenen
Richtung geradeaus erstrecken. Das Brenngasströmungsfeld 44 ist am
einen Ende mit der Brenngaszufuhrpassage 34a verbunden,
und ist am anderen Ende mit der Brenngasabführpassage 34b verbunden.
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Ein Kühlmittelströmungsfeld 46 ist zwischen einer
Oberfläche 18b des
ersten Metallseparators 18 und einer Oberfläche 20b des
zweiten Metallseparators 20 gebildet. Das Kühlmittelströmungsfeld 46 enthält eine
Mehrzahl von Nuten, die sich in der mit dem Pfei B angegebenen Richtung
geradeaus erstrecken. Das Kühlmittelströmungsfeld 46 ist
am einen Ende mit der Kühlmittelzuführleitung 32a verbunden,
und ist am anderen Ende mit der Kühlmittelabführpassage 32b verbunden.
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Eine erste Dichtungsstruktur 50 ist
an der Oberfläche 18a des
ersten Metallseparators 18 um die Kathode 40,
d.h. um das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42,
die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung
30b herum vorgesehen. Wie in 3 gezeigt,
enthält
die erste Dichtungsstruktur 50 eine Mehrzahl von Dichtungselementen.
Die erste Dichtungsstruktur 50 enthält ein Dichtungselement (erstes
Dichtungselement) 52, das um einen Außenbereich auf der Oberfläche 14a des
ersten Metallseparators 18 herum vorgesehen ist.
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Ein zweites Dichtungselement 52b ist
mit dem Dichtungselement 52a verbunden, um eine Leckage
zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 und
der Brenngaszuführleitung 34a zu verhindern.
Ferner ist ein Dichtungselement 52c mit dem Dichtungselement 52a und
dem Dichtungselement 52b verbunden, um eine Leckage zwischen
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführleitung 42 und
der Kühlmittelzufuhrleitung 32a zu
verhindern.
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Ähnlich
ist ein Dichtungselement 52d mit dem Dichtungselement 52a verbunden,
um eine Leckage zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 und
der Brenngasabführleitung 34b zu verhindern.
Ein Dichtungselement 52e ist mit dem Dichtungselement 52a und
dem Dichtungselement 52d verbunden, um eine Leckage zwischen
der Kühlmittelabführleitung 32b und
dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 zu
verhindern. Ferner sind Dichtungselemente (dritte Dichtungselemente) 52f, 52g mit
dem Dichtungselement 52a nahe der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführleitung 30a bzw.
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b verbunden,
um den Fluss des sauerstoffhaltigen Gases zu führen.
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Am einen Ende der ersten Dichtungsstruktur 50 in
der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind Dichtungsverbindungen
bzw. Verbindungsstellen oder Gabelungen 54a, 54b, 54c, 54d ausgebildet. Das
Dichtungselement 52a und das Dichtungselement 52b sind
an der Dichtungsverbindung 54a verbunden. Das Dichtungselement 52b und
das Dichtungselement 52c sind an der Dichtungsverbindung 54b verbunden.
Das Dichtungselement 52c und das Dichtungselement 52a sind
an der Dichtungsverbindung 54c verbunden. Das Dichtungselement 52a und
das Dichtungselement 52g sind an der Dichtungsverbindung 54d verbunden.
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Am anderen Ende der erste Dichtungsstruktur 50 in
der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind Dichtungsverbindungen
bzw. Verbindungsstellen oder Gabelungen 54e, 54f, 54g, 54h ausgebildet. Das
Dichtungselement 52a und das Dichtungselement 52d sind
an der Dichtungsverbindung 54e verbunden. Das Dichtungselement 52d und
das Dichtungselement 52e sind an der Dichtungsverbindung 54f verbunden.
Das Dichtungselement 52e und das Dichtungselement 52a sind
an der Dichtungsverbindung 54g verbunden. Das Dichtungselement 52a und
das Dichtungselement 52f sind an der Dichtungsverbindung 54h verbunden.
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Da die Dichtungsverbindungen 54a bis 54h die
gleiche Struktur haben, wird im Detail nur eine der Dichtungsverbindungen 54a bis 54h,
d.h. die Dichtungsverbindung 54a, im Detail beschrieben,
und die Beschreibung der anderen Dichtungsverbindungen 54b bis 54h wird
weggelassen.
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In 4 liegt
ein Innenwinkel θ der
Dichtungsverbindung 54a, der durch die Mittellinien der Dichtungselemente 52a, 52b definiert
ist, im Bereich von 40° bis
90 °, und
bevorzugt im Bereich von 60° bis
90°. Die
Dichtungsverbindung 54a weist einen gekrümmten Abschnitt
auf, der mit dem Dichtungselement 52a und dem Dichtungselement 52b verbunden
ist. Der gekrümmte
Abschnitt hat einen Krümmungsradius
R im Bereich von 6,0 mm bis 9,0 mm. Ein mit der Dichtungsverbindung 54a verbundener Abschnitt
des Dichtungselements 52b weist eine Dichtungsbreite W
auf, die im Wesentlichen gleich der Dichtungsbreite des Dichtungselements 52a ist. Daher
werden ungewünschte
Wechselwirkungen zwischen den Dichtungselementen 52a, 52b verhindert.
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Die erste Dichtungsstruktur 50 ist
aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial
oder Packungsmaterial hergestellt, wie etwa EPDM (Ethylenpropylendienmonomer),
NBR (Nitrilbutadiengummi), Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi,
Butylgummi (Isobutenisoprengummi), Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi
oder Acrylgummi. Die erste Dichtungsstruktur 50 hat eine
Härte im
Bereich von 30° bis
50° gemäß dem JISK6253
Durometer, Typ A.
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Wie in 5 gezeigt,
enthält
die erste Dichtungsstruktur 50 einen Basisabschnitt 56,
der integral an der Oberfläche 18a des
ersten Metallseparators 18 ausgebildet ist, und einen Säulenabschnitt 58,
der einen säulenförmigen Querschnitt
hat, sowie einen gekrümmten
Randabschnitt 60, der einen gekrümmten Querschnitt mit einem
vorbestimmten Krümmungsradius
hat. Der Säulenabschnitt 58 steht
von dem Basisabschnitt 56 mit einem vorbestimmten Einzugs-
bzw. Hinterschneidungswinkel, z.B. im Bereich von 0° bis 1 °, vor.
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Der Krümmungsradius R1 des gekrümmten Randabschnitts 60 liegt
im Bereich von 1,0 mm bis 3,0 mm. Die Dichtungsbreite des gekrümmten Randabschnitts 60 ist
1,0 mm oder größer. Wenn
der gekrümmte
Randabschnitt 60 in Kontakt mit der Festpolymerelektrolytmembrane 36 ist, um
die Oberfläche 20a des
zweiten Metallseparators 20 unter Druck zu setzen, ist
die Breite der Kontaktfläche
1,5 mm oder größer. Das
Aspektverhältnis
der ersten Dichtungsstruktur 50 ist nicht größer als
1,5, d.h.
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H/W ≤ 1,5 (wobei W die Breite des
Säulenabschnitts 58 ist
und H die Höhe
von dem Basisabschnitt 56 zu dem gekrümmten Randabschnitt 60 ist). Der
Krümmungsradius
R2 des Basisabschnitts 56 liegt im Bereich von 0,3 mm bis
1,0 mm, um eine Spannungskonzentration zwischen dem Säulenabschnitt 58 und
dem Basisabschnitt 56 zu verhindern.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt,
ist eine zweite Dichtungsstruktur 62 auf der Oberfläche 18b des ersten
Metallseparators 18 ausgebildet. Die zweite Dichtungsstruktur 62 enthält ein Dichtungselement 64a,
das einen Außenbereich
der Oberfläche 18b umgibt,
ein Dichtungselement 64b zum Verhindern einer Leckage zwischen
dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a, sowie ein
Dichtungselement 64c zum Verhindern einer Leckage zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b.
Die zweite Dichtungsstruktur 62 enthält ein Dichtungselement 64d zum
verhindern einer Leckage zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und der
Brenngaszuführleitung 34a,
sowie ein Dichtungselement 64e zum Verhindern eine Leckage
zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und
der Brenngasabführleitung 34b.
Ferner enthält
die zweite Dichtungsstruktur 62 Dichtungselemente 64f,
die jeweils mit den Dichtungselementen 62b bis 62e verbunden
sind. Die zweite Dichtungsstruktur 62 hat einen rechteckigen
Querschnitt.
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Eine dritte Dichtungsstruktur 68 ist
auf der Oberfläche 20b des
zweiten Metallseparators 20 ausgebildet. Die dritte Dichtungsstruktur 68 enthält ein Dichtungselement 70a,
das einen Außenbereich auf
der Oberfläche 20b umgibt,
ein Dichtungselement 70b zum Verhindern einer Leckage zwischen dem
Kühlmittelströmungsfeld 46 und
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a,
sowie ein Dichtungselement 70c zum Verhindern einer Leckage
zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b.
Die dritte Dichtungsstruktur 68 enthält ein Dichtungselement 70d zum
Verhindern einer Leckage zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und der
Brenngaszuführleitung 34a,
sowie ein Dichtungselement 70e zum Verhindern einer Leckage
zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und
der Brenngasabführleitung 34b.
Ferner enthält
die dritte Dichtungsstruktur 68 Dichtungselemente 70f,
die jeweils mit den Dichtungselementen 70b bis 70e verbunden
sind.
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Eine vierte Dichtungsstruktur 74 ist
auf der Oberfläche 20a des
zweiten Metallseparators 20 ausgebildet. Die vierte Dichtungsstruktur 74 enthält ein Dichtungselement 76a,
das einen Außenbereich auf
der Oberfläche 20a umgibt,
ein Dichtungselement 76b zum Verhindern einer Leckage zwischen dem
Brenngasströmungsfeld 44 und
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 30a,
sowie ein Dichtungselement 76c zum Verhindern einer Leckage zwischen
dem Brenngasströmungsfeld 44 und
der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b.
Die vierte Dichtungsstruktur 74 enthält ein Dichtungselement 76d zum
Verhindern einer Leckage zwischen dem Brenngasströmungsfeld 44 und
der Kühlmittelzufuhrleitung 32a,
sowie ein Dichtungselement 76e zum Verhindern einer Leckage
zwischen dem Brenngasströmungsfeld 44 und
der Kühlmittelabführleitung 32b.
Ferner sind Dichtungselemente 76 mit dem Dichtungselement 76a nahe
der Brenngaszuführleitung 34a bzw.
der Brenngasabführleitung 34b verbunden.
Die vierte Dichtungsstruktur 74 hat, wie auch die zweite
Dichtungsstruktur 62, einen rechteckigen Querschnitt.
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Die zweiten bis vierten Dichtungsstrukturen 62, 68, 74 haben,
wie auch die erste Dichtungsstruktur 50, Dichtungsverbindungen.
Die Dichtungsverbindungen der zweiten bis vierten Dichtungsstrukturen 62, 68, 74 haben
die gleiche Struktur wie die in 4 gezeigte
Dichtungsverbindung 54a und eine Beschreibung davon ist
weggelassen.
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Als Nächstes wird der Betrieb der
Brennstoffzelle 10 beschrieben.
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Im Betrieb wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges
Gas, wie etwa Luft, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführleitung 30a zugeführt, wird Brenngas,
wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, der Brenngaszuführleitung 34a zugeführt, und
wird Kühlmittel,
wie etwa reines Wasser, ein Ethylenglykol oder ein Öl, der Kühlmittelzuführleitung 32a zugeführt.
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Das sauerstoffhaltige Gas strömt von der Sauerstoffhatliges-Gas-Zuführleitung 30a in
das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 des
ersten Metallseparators 18. Das sauerstoffhaltige Gas strömt in der
mit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang der Kathode 40 der
Membranelektrodenanordnung 60, um eine chemische Reaktion
an der Kathode 40 auszulösen. Das Brenngas strömt von der Brenngaszufuhrleitung 34a in
das Brenngasströmungsfeld 44 des
zweiten Metallseparators 20. Das Brenngas strömt in der
mit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang der Anode 38 der
Membranelektrodenanordnung 60, um an der Anode 38 eine
chemische Reaktion auszulösen.
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In der Membranelektrodenanordnung 16 werden
das der Kathode 40 zugeführte sauerstoffhaltige Gas
und das Anode 38 zugeführte
Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen an den Katalysatorschichten
der Kathode 40 und der Anode 38 verbraucht, um
Elektrizität
zu erzeugen.
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Nachdem das sauerstoffhaltige Gas
an der Kathode 40 verbraucht ist, strömt das sauerstoffhaltige Gas
in die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b und
strömt
in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung. Ähnlich strömt, nachdem das Brenngas an der
Anode 38 verbraucht ist, dieses Brenngas in die Brenngasabführleitung 34b und
strömt
in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
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Das den Kühlmittelzuführleitungen 32a zugeführte Kühlmittel
strömt
in das Kühlmittelströmungsfeld 46 zwischen
den ersten und zweiten Metallseparatoren 18, 20 und
strömt
in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel zum
Kühlen
der Membranelektrodenanordnung 16 verbraucht ist, wird
das Kühlmittel
in die Kühlmittelabführleitung 32b abgegeben.
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In der vorliegenden Ausführung ist
die Kontaktfläche
zwischen der ersten Dichtungsstruktur 50 und der Dichtungsfläche (Festpolymerelektrolytmembrane 36)
im Vergleich zur herkömmlichen
Dichtungsstruktur, die eine Lippenform hat, groß. Auch wenn somit die ersten
und zweiten Metallseparatoren 18, 20 aufgrund
des Gasdrucks in der Brennstoffzelle 10 verformt werden
oder die Oberflächen
der Metallseparatoren 18, 20 wellig werden, sich
verwerfen oder verdreht werden, bleibt die gewünschte Dichtleistung erhalten.
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Wenn ferner eine Mehrzahl der Brennstoffzellen 10 aufeinandergestapelt
werden, um, den Brennstoffzellenstapel 12 zu bilden, hat
die erste Dichtungsstruktur 50 die erforderliche Zähigkeit.
Es kommt zu keinem Positionsversatz der ersten Dichtungsstruktur 50.
Wenn der gekrümmte Randabschnitt 60 der
ersten Dichtungsstruktur 50 gegen die Dichtfläche gedrückt wird,
verformt sich der Säulenabschnitt 58 der
ersten Dichtungsstruktur 50, um die Bewegung der Dichtungsfläche zu kompensieren,
sodass sich der gekrümmte Randabschnitt 60 zusammen
mit der Dichtfläche
bewegt.
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Wenn somit der Brennstoffzellenstapel 12 an einem
Fahrzeug angebracht wird, steht die erste Dichtungsstruktur 50 in
zuverlässigem
Kontakt mit der Dichtfläche,
wobei Vibrationen, während
das Fahrzeug fährt,
und Stöße beim
plötzlichen
Bremsen und bei plötzlicher
Beschleunigung absorbiert werden.
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Ferner enthält in der vorliegenden Ausführung, wie
z.B. in 3 gezeigt, die
erste Dichtungsstruktur 50 die Dichtungsverbindungen 54a bis 54h zur
Verbindung der Dichtungselemente 52a bis 52g. In 4 liegt der Innenwinkel θ an der
Dichtungsverbindung 54a, der durch die Mittellinien der
Dichtungselemente 52a und 52b definiert ist, im
Bereich von 40° bis
90°. Die
Dichtungsverbindung 54a enthält den gekrümmten Abschnitt, der mit dem
Dichtungselement 52a und dem Dichtungselement 52b verbunden
ist. Der gekrümmte
Abschnitt hat einen vorbestimmten Krümmungsradius R.
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Es wurde ein Experiment ausgeführt, in
dem der Innenwinkel θ an
der Dichtungsverbindung verändert
wurde, um eine Beziehung zwischen dem Oberflächendruck, der auf einen geraden
Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird, und dem auf die Dichtungsverbindung
ausgeübten
Oberflächendruck
zu bestimmen. Die Ergebnisse (drei Linien mit den Winkeln 30°, 60° und 90°) des Experiments
sind in 6 gezeigt. Bevorzugt
ist, wenn der Druck, der auf den geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird,
und der auf die Dichtungsverbindung ausgeübte Druck gleich sind, d.h.
die Differenz zwischen den Oberflächendrücken 0 ist, wie mit der geraden
Linie L angegeben. Die von der Linie L abweichende Linie ist nicht
bevorzugt, da die Differenz zwischen dem Oberflächendruck, der auf den geraden Abschnitt
des Dichtungselements ausgeübt
wird, und dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck groß ist. Insbesondere
ist die Differenz zwischen den Oberflächendrücken beträchtlich groß, wenn der Innenwinkel θ 30° beträgt.
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Der Innenwinkel θ sollte in der Nähe von 90° liegen.
Bevorzugt liegt der Innenwinkel θ in
dem Bereich von 60° bis
90°, um
eine Zunahme des auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendrucks
zu verhindern. Wenn der Innenwinkel θ im Bereich von 60° bis 90° liegt, liegt
die resultierende Linie ziemlich nahe an der Linie L, und die Differenz
zwischen den Oberflächendrücken in
der ersten Dichtungsstruktur 50 ist klein. Der Druck wirkt
gleichmäßig auf
die gesamte erste Dichtungsstruktur 50.
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Wie in 7 gezeigt,
nimmt der auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübte Oberflächendruck proportional
zur Dichtungsbreite W zu. Somit sollte die Dichtungsbreite W klein
sein, um den auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübten Oberflächendruck
effizient zu reduzieren.
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Ferner wurde der Zunahmebetrag des
auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübten Oberflächendrucks bei verschiedenen
Krümmungsradien
R an der Dichtungsverbindung 54a gemessen. Das Ergebnis
ist in 8 gezeigt. Zu
Vergleichszwecken wurde der Zunahmebetrag des Oberflächendrucks unter
unterschiedlichen Bedingungen gemessen, (1) einem Innenwinkel von
30° und
einem Krümmungsradius
R von 4,0 mm (4R), (2) bei einem Innenwinkel von 90° und einem
Krümmungsradius
R von 4,0 mm (4R), (3) bei einem Innenwinkel von 90° und einem Krümmungsradius
R von 6,0 mm (6R) sowie (4) bei einem Innenwinkel von 90° und einem
Krümmungsradius
R von 8,5 mm (8,5R). Bevorzugt war bei dem Experiment der Krümmungsradius
R 6,0 mm oder größer und
lag bevorzugt im Bereich von 6,0 mm bis 9,0 mm, um die Zunahme des
auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendrucks zu senken, im Gegensatz
zu der Zunahme des Oberflächendrucks,
der auf den geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wurde.
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Wenn der Krümmungsradius R im Bereich von
6,0 mm bis 9,0 mm liegt, wird eine übermäßige Spannungskonzentration
an der Dichtungsverbindung 54a effizient verhindert, und
ist die Differenz zwischen dem auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübten Oberflächendruck
und dem geraden Abschnitt des Dichtungselements klein.
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9 ist
eine Graphik, die den maximalen Innendruck der ersten Dichtungsstruktur 50 bei Änderung
des Krümmungsradius
R zeigt. Der maximale Innendruck bedeutet hier einen kritischen
Druck, der eine Fluidleckage durch die erste Dichtungsstruktur 50 hindurch
hervorrufen kann.
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Wenn, wie in 9 gezeigt, der Krümmungsradius R größer als
6,0 mm ist, ist der maximale Innendruck der ersten Dichtungsstruktur 60 ziemlich
hoch.
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Daher kann die gewünschte Dichtleitung
erreicht werden. In der ersten Dichtungsstruktur 50 steigt
der Oberflächendruck
oder der Liniendruck örtlich
nicht an. Mit der zuverlässigen
Dichtfunktion kann eine gewünschte
Stromerzeugungsleistung erreicht werden.
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In der vorliegenden Ausführung sind
zwei Dichtungselemente 52a, 52b mit der Dichtungsverbindung 54a verbunden.
Alternativ können
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. In alternativen
Ausführungen
können
drei oder mehr Dichtungselemente mit der Dichtungsverbindung 54a verbunden
sein, während ähnliche
Vorteile erreicht werden.
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Erfindungsgemäß liegt der Innenwinkel, der durch
die Mittellinien der Dichtungselemente definiert ist, im Bereich
von 40° bis
90°. Mit
dieser Struktur steigt der auf die Dichtungsverbindung ausgeübte Oberflächendruck
nicht übermäßig an,
wenn die Dichtungselemente zusammengedrückt werden. Ferner weist die
Dichtungsverbindung einen gekrümmten
Abschnitt auf, der mit den Dichtungselementen verbunden ist. Somit
kommt es zu keiner Spannungskonzentration an der Dichtungsverbindung,
und ist die Differenz zwischen dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck und
dem auf den geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübten Oberflächendruck
klein.
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Demzufolge werden ungewünschte Wechselwirkungen
zwischen den Dichtungselementen verhindert und steigt der Oberflächendruck
oder der Liniendruck örtlich
nicht an. Die Dichtleistung kann zuverlässig beibehalten werden, und
es kann die gewünschte
Stromerzeugungsleistung erreicht werden.
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Eine erfindungsgemäße erste
Dichtungsstruktur 50 enthält eine Dichtungsverbindung 54a und
Dichtungselemente 52a, 52b, die an der Dichtungsverbindung 54a verbunden
sind. Ein Innenwinkel θ an
der Dichtungsverbindung 54a, definiert durch die Mittellinien
der Dichtungselemente 52a, 52b, liegt im Bereich
von 40° bis
90°. Die
Dichtungsverbindung 54a enthält einen gekrümmten Abschnitt
mit einem vorbestimmten Krümmungsradius
R zum Verbinden der Dichtungselemente 52a, 52b.