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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, worin eine Mehrzahl von Stromerzeugungszellen in einer Stapelrichtung gestapelt sind. Die Stromerzeugungszelle enthält eine Membranelektrodenanordnung und ein Paar von Metallseparatoren, welche die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Membranelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden und eine zwischen den Elektroden angeordnete Elektrolytmembrane. Eine Reaktionsgaspassage und eine Kühlmittelpassage erstrecken sich durch die Stromerzeugungszellen in der Stapelrichtung. Ferner ist ein Kühlmittelfließfeld zum Zuführen eines Kühlmittels zwischen den Metallseparatoren benachbarter Stromerzeugungszellen ausgbildet.
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Herkömmlich verwendet eine Festpolymer-Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA), welche eine Anode und eine Kathode sowie eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolytmembrane enthält. Die Elektrolytmembrane ist eine Polymerionenaustauschermembrane. Die Membranelektrodenanordnung und die die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmenden Separatoren bilden eine Einheit einer Stromerzeugungszelle zum Erzeugen von Elektrizität. Im Gebrauch wird allgemein eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen aufeinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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In der Stromerzeugungszelle wird der Anode ein Brenngas zugeführt, wie etwa ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes Gas (nachfolgend auch als wasserstoffhaltiges Gas bezeichnet). Der Katalysator der Anode induziert eine chemische Reaktion des Brenngases, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen und Elektronen aufzuspalten. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytmembrane hindurch zu der Kathode hin, und die Elektronen fließen durch eine externe Schaltung zur Kathode zur Erzeugung eines elektrischen Gleichstroms. Ein hauptsächlich Sauerstoff enthaltendes Gas oder Luft (nachfolgend auch als sauerstoffhaltiges Gas bezeichnet) wird der Kathode zugeführt. An der Kathode kombinieren sich die Wasserstoffionen von der Anode mit den Elektronen und dem Sauerstoff zur Bildung von Wasser.
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In der Stromerzeugungszelle sind in den Oberflächen der Separatoren ein Brenngasfließfeld (Reaktionsgasfließfeld) und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (Reaktionsgasfließfeld) ausgebildet. Das Brenngasfließfeld ist auf einer zur Anode weisenden Oberfläche des Separators ausgebildet, um das Brenngas der Anode zuzuführen, und das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld ist als ein zur Kathode weisendes Fließfeld des Separators ausgebildet, um das sauerstoffhaltige Gas der Kathode zuzuführen. Ferner ist ein Kühlmittelfließfeld zwischen den Stromerzeugungszellen ausgebildet, um zu erlauben, dass ein Kühlmittel entlang den Oberflächen der Separatoren fließt.
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Der Separator kann aus einer dünnen Metallplatte hergestellt sein, die durch Pressformung hergestellte gewellte Oberflächen hat, um eine Minderung der Herstellungskosten und der Größe zu erreichen. In diesem Fall werden das Reaktionsgasfließfeld und das Kühlmittelfließfeld auf beiden Oberflächen des Separators ausgebildet. Die Form des auf einer Oberfläche des Separators gebildeten Reaktionsgasfließfelds beschränkt die Form des Kühlmittelfließfelds, das an der anderen Oberfläche des Separators ausgebildet ist. Daher könnte es unmöglich sein, die gewünschte Form des Kühlmittelfließfelds herzustellen.
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Insbesondere könnte in einer Brennstoffzelle mit internem Verteiler, in dem sich die Reaktionsgaspassagen und die Kühlmittelpassagen durch den Außenbereich der Metallseparatoren in der Stapelrichtung erstrecken, das Kühlmittel zwischen dem Kühlmittelfließfeld und den Kühlmittelpassagen nicht in geeigneter Weise fließen.
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Beim Versuch zur Lösung des Problems, wie in
7 gezeigt, offenbart die
JP 06-218275 A einen Brennstoffzellenblock
1, der durch abwechselndes Stapeln von Membranelektrodenanordnungen
2 und Separatoren
3 gebildet ist. Die Membranelektrodenanordnung
2 enthält eine Kathode
5a, eine Anode
5b und eine Elektrolytmembrane
4, die zwischen der Kathode
5a und der Anode
5b angeordnet ist. Jede der Membranelektrodenanordnungen
2 ist zwischen den Separatoren
3 aufgenommen, und Kontaktplatten
6 sind zwischen den Membranelektrodenanordnungen
2 und den Separatoren
3 vorgesehen.
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Jeder der Separatoren 3 enthält Platten 3a, 3b, die aufeinander gestapelt sind. Rippen der Platten 3a, 3b kontaktieren einander zur Bildung einer Kühlwasserkammer 7 zwischen den Platten 3a, 3b.
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Eine Kühlwasserpassage 8 erstreckt sich durch den Brennstoffzellenblock 1 in der Stapelrichtung, wie mit Pfeil X angegeben. Die Passage 8 ist durch Dichtungen 9 abgedichtet. Die Passage 8 ist mit der Kammer 7 durch eine Öffnung 7a in jedem der Separatoren 3 verbunden. Daher fließt in jedem der Separatoren 3 das der Passage 8 zugeführte Kühlwasser von der Öffnung 7a zur Kammer 7. Dann fließt das Kühlwasser durch die Kammer 7, und das Kühlwasser kühlt die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen 2.
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In der
JP 06-218275 A sind die Platten
3a,
3b des Separators
3 aus dünnen Platten hergestellt. Die mit der Öffnung
7a verbundene Kammer
7 ist zwischen den Platten
3a,
3b ausgebildet. Wenn daher eine Dichtziehkraft auf den Brennstoffzellenblock
1 in der Stapelrichtung ausgeübt wird, werden die Platten
3a,
3b aufgrund der Öffnung
7a leicht verformt. Daher ist es schwierig, das Kühlwasser der Kammer
7 richtig zuzuführen, und die Dichteigenschaften zum Verhindern einer Leckage der Reaktionsgase und des Kühlwassers sind geringer.
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Aus der
DE 103 00 068 A1 ist eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Dort sind die Brenngas-, Luft- und Kühlmittelfließfelder mit Führungsrippen versehen.
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Die
DE 100 15 360 A1 zeigt einen Metallseparator, wobei Paare dieser Separatoren mit Dichtungsrippen versehen sind, die an jenen Seiten der benachbarten Separatoren vorgesehen sind, die voneinander weg und zu den Membranelektrodenanorndungen hinweisen, während zwischen diesen beiden benachbarten Separatoren, ohne Beteiligung der Dichtungsrippen, Kühlmittelkanäle gebildet sind, die Kühlmittelports mit den Kühlmittelfließfeldern verbinden.
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Die
EP 1 009 051 A2 zeigt dreischichtige flüssigkeitsgekühlte Separatorenplatten, die mit zur Membranelektrodenanordnung hin weisenden Rippen versehen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzelle mit einer einfachen Struktur anzugeben, in der es möglich ist, glattgängig ein Kühlmittel zwischen den Metallseparatoren zuzuführen, um die Stromerzeugungszellen zu kühlen, ohne etwaige Beschränkungen durch die Formen der Reaktionsgasfließfelder, und es möglich ist, die gewünschte Stromerzeugungsleistung beizubehalten.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 angegeben.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angeben.
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Erfindungsgemäß bilden die Rippenelemente, die integral an dem Metallseparator ausgebildet sind, die Verbindungskanäle. Somit ist die Anzahl der Komponenten der Brennstoffzelle reduziert. Mit der einfachen Struktur ist es möglich, die Kühlmittelpassagen und das Kühlmittelfließfeld zuverlässig zu verbinden. Daher fließt das Kühlmittel glattgängig und in geeigneter Weise zwischen den Kühlmittelpassagen und dem Kühlmittelfließfeld unabhängig von den Formen der Reaktionsgasfließfelder.
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Ferner ist der Verbindungskanal zwischen dem Rippenelement und dem planaren Dichtungselement ausgebildet, das integral auf dem Metallseparator ausgebildet ist. Selbst wenn sich die Position des Rippenelements verlagert, ist es möglich, den Verbindungskanal zuverlässig auszubilden.
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Ferner kontaktieren die Rippenelemente das erste Dichtungselement des anderen Metallseparators. Wenn somit eine Dichtziehkraft auf die Brennstoffzelle in der Stapelrichtung ausgeübt wird, ist es möglich, die Stromerzeugungszelle ohne Verformung des Verbindungskanals wirkungsvoll zu kühlen.
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Ferner überlappt das Rippenelement mit zumindest einem Teil des Dichtungselements, um eine Leckage in der Membranelektrodenanordnung zu verhindern. Somit wird eine Reaktionskraft entgegen einer auf die Membranelektrodenanordnung ausgeübten Dichtkraft erzeugt, und es ist möglich, die Abdichtcharakteristiken der Membranelektrodenanordnung durch das Dichtungselement geeignet einzuhalten.
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Ferner sind die Kühlmittelzuführpassage und die Kühlmittelabführpassage an mittleren Positionen der entgegengesetzten linken und rechten Enden der Stromerzeugungszelle vorgesehen. Eine Mehrzahl verzweigter Nuten der Verbindungskanäle ist mit der Kühlmittelzuführpassage und der Kühlmittelabführpassage verbunden. Somit ist es möglich, das Kühlmittel dem gesamten Kühlmittelfließfeld glattgängig und zuverlässig zuzuführen.
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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, worin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Ausführungsbeispiele gezeigt sind.
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1 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Stromerzeugungszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführung;
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2 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle entlang Linie II-II in 1;
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3 ist eine Vorderansicht eines ersten Metallseparators der Stromerzeugungszelle;
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4 ist eine Vorderansicht einer Oberfläche eines zweiten Metallseparators der Stromerzeugungszelle;
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5 ist eine Vorderansicht einer anderen Oberfläche des zweiten Metallseparators;
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6 ist eine Perspektivansicht eines Kühlmittelfließfelds, das zwischen den ersten und zweiten Metallseparatoren gebildet ist; und
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7 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines Brennstoffzellenblocks, wie er in der
JP 06-218275 A offenbart ist.
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1 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Stromerzeugungszelle 12 einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführung. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II in 1 der Brennstoffzelle 10, die durch horizontales Stapeln einer Mehrzahl der Stromerzeugungszellen 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gebildet ist.
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Wie in 1 gezeigt, wird die Stromerzeugungszelle 12 gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung 14 zwischen den ersten und zweiten Metallseparatoren 16, 18 aufgenommen wird. Zum Beispiel sind die ersten und zweiten Metallseparatoren 16, 18 dünne Metallbleche, wie etwa Stahlbleche, rostfreie Stahlbleche, Aluminiumbleche oder plattierte Stahlbleche.
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Am einen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der horizontalen Richtung, wie in 1 mit dem Pfeil B angegeben, sind eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases, eine Kühlmittelabführpassage 22b zum Abführen eines Kühlmittels sowie eine Brenngasabführpassage 24b zum Abführen eines Brenngases, wie etwa eines wasserstoffhaltigen Gases, vertikal in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a, die Kühlmittelabführpassage 22b und die Brenngasabführpassage 24b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung, wie mit dem Pfeil A angegeben.
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Am anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind eine Brenngaszuführpassage 24a zum Zuführen des Brenngases, eine Kühlmittelzuführpassage 22a zum Zuführen des Kühlmittels sowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführpassage 20b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Die Brenngaszuführpassage 24a, die Kühlmittelzuführpassage 22a und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführpassage 20b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
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Der erste Metallseparator 16 hat auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 14 weisenden Oberfläche ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26. Zum Beispiel hat das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 ein Serpentinenmuster, das zwei Umlenkbereiche und drei gerade Bereiche enthält, um zu erlauben, dass das sauerstoffhaltige Gas in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung hin- und herfließt. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 enthält eine Mehrzahl von Nuten 28, die durch Wellen des ersten Metallseparators 16 gebildet sind. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 ist mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a durch einen Einlasspuffer 32a verbunden und ist mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführpassage 20b durch einen Auslasspuffer 32b verbunden. Zum Beispiel werden der Einlasspuffer 32a und der Auslasspuffer 32b gebildet, indem Buckel oder Vertiefungen in dem ersten Metallseparator 16 gebildet werden.
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Wie in 3 gezeigt, hat der erste Metallseparator 16 Nuten 34a auf der anderen Oberfläche 16b als Teil eines Kühlmittelfließfelds 34, das der Form des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 26 entspricht. Die Nuten 34a sind mit der Kühlmittelzuführpassage 22a und der Kühlmittelabführpassage 22b durch den Einlasspuffer 36a und den Auslasspuffer 36b verbunden, die zum Beispiel durch Buckel gebildet sind.
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Ein erstes Dichtungselement 40 ist integral auf den Oberflächen 16a, 16b des ersten Metallseparators 16 ausgebildet, um den Außenrand des ersten Metallseparators 16 abzudecken (aufzunehmen), z. B. durch Wärmebehandlung oder Spritzguss. Das erste Dichtungselement 40 ist aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial oder Packungsmaterial hergestellt, wie etwa EPDM (Ethylenpropylendienmonomer), NBR (Nitrilbutadiengummi), Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi (Isobuten-Isoprengummi), Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi oder Acrylgummi.
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Das erste Dichtungselement 40 hat eine planare Form. Das erste Dichtungselement 40 enthält eine erste Flachdichtung 40a auf der in 1 gezeigten Oberfläche 16a und eine zweite Flachdichtung 40b auf der in 3 gezeigten Oberfläche 16b. Die erste Flachdichtung 40a ist nicht zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a sowie zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführpassage 20b ausgebildet. Daher ist das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20b verbunden. Die zweite Flachdichtung 40b ist länger als die erste Flachdichtung 40a (siehe 2).
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Wie in 4 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 18 auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 14 weisenden Oberfläche 18a ein Brenngasfließfeld 50. Zum Beispiel hat das Brenngasfließfeld 50 ein Serpentinenmuster, das zwei Umlenkbereiche und drei gerade Bereiche enthält, um zu erlauen, dass das Brenngas in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung hin- und herfließt. Das Brenngasfließfeld 50 enthält eine Mehrzahl von Nuten 52, die durch Wellen des zweiten Metallseparators 18 gebildet sind. Das Brenngasfließfeld 50 ist mit der Brenngaszuführpassage 24a durch einen Einlasspuffer 54a und Einlassdurchgangslöcher 55a verbunden, und ist mit der Brenngasabführpassage 24b durch einen Auslasspuffer 54b und Auslassdurchgangslöcher 55b verbunden. Die Einlassdurchgangslöcher 55a sind mit der Brenngaszuführpassage 24a an der Oberfläche 18b verbunden, und die Auslassdurchgangslöcher sind mit der Brenngasauslasspassage 24b an der Oberfläche 18b verbunden.
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Wie in den 1 und 5 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 18 auf seiner der Oberfläche 18a entgegengesetzten Oberfläche 18b Nuten 34b, als Teil des Kühlmittelfließfelds 34, das der Form des Brenngasfließfelds 50 entspricht. Die Nuten 34b sind mit der Kühlmittelzuführpassage 22a durch einen Einlasspuffer 56a verbunden und sind mit der Kühlmittelabführpassage 22b durch einen Auslasspuffer 56b verbunden.
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Ein zweites Dichtungselement 58 ist integral auf den Oberflächen 18a, 18b des zweiten Metallseparators 18 ausgebildet, um den Außenrand des zweiten Metallseparators 18 abzudecken (aufzunehmen). Das zweite Dichtungselement 58 und das erste Dichtungselement 40 sind aus dem gleichen Material hergestellt. Wie in 4 gezeigt, enthält das zweite Dichtungselement 58 einen Außenvorsprung 60 und einen Innenvorsprung 62, die an der Oberfläche 18a des zweiten Metallseparators 18 ausgebildet sind. Der Innenvorsprung 62 ist mit einem vorbestimmten Abstand innerhalb des äußeren Vorsprungs 60 angeordnet. Der Innenvorsprung 62 kontaktiert den Außenrand einer Festpolymer-Elektrolytmembrane 80, wie später beschrieben, und schließt das Brenngasfließfeld 50 ab (siehe 2).
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Wie in 5 gezeigt, enthält das zweite Dichtungselement 58 einen Außenvorsprung 64 und einen Innenvorsprung 66, der auf der Oberfläche 18b des zweiten Metallseparators 18 ausgebildet ist. Der Innenvorsprung 66 ist mit Abstand innerhalb des äußeren Vorsprungs 64 angeordnet und umgibt das Kühlmittelfließfeld 34. Eine Mehrzahl von zum Beispiel drei Rippenelementen 68a und eine Mehrzahl von zum Beispiel drei Rippenelementen 68b sind integral an der Oberfläche 18b des zweiten Metallseparators 18 ausgebildet. Die Rippenelemente 68a sind zwischen der Kühlmittelzuführpassage 22a und dem Einlasspuffer 56a vorgesehen, und die Rippenelemente 68b sind zwischen der Kühlmittelabführpassage 22b und dem Auslasspuffer 56b vorgesehen.
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Eine Mehrzahl von zum Beispiel fünf Rippenelementen 70a und eine Mehrzahl von zum Beispiel fünf Rippenelementen 70b sind integral auf der Oberfläche 18b des zweiten Metallseparators 18 ausgebildet. Die Rippenelemente 70a sind zwischen der Kühlmittelzuführpassage 22a und dem Einlasspuffer 36a des ersten Metallseparators 16 vorgesehen, und die Rippenelemente 70b sind zwischen der Kühlmittelabführpassage 22b und dem Auslasspuffer 36b des ersten Metallseparators 16 vorgesehen. Die Rippenelemente 68a, 68b, 70a und 70b bilden Teil des zweiten Dichtungselements 58 und kontaktieren das erste Dichtungselement 40 unter Druck, um einen Einlassverbindungskanal 72a und einen Auslassverbindungskanal 72b zu bilden.
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Die Kühlmittelzuführpassage 22a ist mit dem Kühlmittelfließfeld 34 durch den Einlassverbindungskanal 72a verbunden, und die Kühlmittelabführpassage 22b ist mit dem Kühlmittelfließfeld 34 durch den Auslassverbindungskanal 72b verbunden. Der Einlassverbindungskanal 72a enthält eine Mehrzahl erster verzweigter Einlassnuten 74a, die zwischen den Rippenelementen 68a ausgebildet sind, und eine Mehrzahl zweiter verzweigter Einlassnuten 76a, die zwischen den Rippenelementen 70a ausgebildet sind. Der Einlassverbindungskanal 72a ist in zumindest zwei Richtungen verzweigt. Der Auslassverbindungskanal 72b enthält eine Mehrzahl erster verzweigter Auslassnuten 74b, die zwischen den Rippenelementen 68b ausgebildet sind, und eine Mehrzahl zweiter verzweigter Auslassnuten 76b, die zwischen den Rippenelementen 70b ausgebildet sind. Der Auslassverbindungskanal 72b ist in zumindest zwei Richtungen verzweigt.
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Wie in den 4 und 5 gezeigt, überlappen die Rippenelemente 68a mit zumindest einem Teil 60a des Außenvorsprungs 60 als Dichtungselement in der Stapelrichtung, und die Rippenelemente 68b überlappen mit zumindest einem Teil 60b des Außenvorsprungs 60 in der Stapelrichtung. Die Rippenelemente 70a überlappen mit zumindest einem Teil 60c des Außenvorsprungs 60 in der Stapelrichtung, und die Rippenelemente 70b überlappen mit zumindest einem Teil 60d des Außenvorsprungs 60 in der Stapelrichtung.
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Wenn, wie in 6 gezeigt, die ersten und zweiten Metallseparatoren 16, 18 zusammengestapelt sind, bilden die Nuten 34a und die Nuten 34b das Kühlmittelfließfeld 34. Das Kühlmittelfließfeld 34 ist mit der Kühlmittelzuführpassage 22a von den Einlasspuffern 36a, 56a durch den Einlassverbindungskanal 72a verbunden, und das Kühlmittelfließfeld 34 ist mit der Kühlmittelabführpassage 22b von den Auslasspuffern 36b, 56b durch den Auslassverbindungskanal 72b verbunden.
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Wie in 1 gezeigt, sind Mittelabschnitte an entgegengesetzten Enden der Membranelektrodenanordnung 14 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung weggeschnitten. Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst die Membranelektrodenanordnung 14 eine Kathode 82, eine Anode 84 und eine Festpolymer-Elektrolytmembrane 80, die zwischen der Kathode 82 und der Anode 84 angeordnet ist. Die Festpolymer-Elektrolytmembrane 80 wird gebildet, indem zum Beispiel eine dünne Membrane aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser imprägniert wird. Die Oberflächenausdehnung der Anode 84 ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Kathode 82.
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Die Kathode 82 und die Anode 84 hat jeweils eine Gasdiffusionsschicht, wie etwa ein Kohlepapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht aus Platinlegierung, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 82 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 84 sind jeweils auf beiden Oberflächen der Festpolymer-Elektrolytmembrane 80 befestigt.
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Als Nächstes wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, wird Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, der Brenngaszuführpassage 24a zugeführt, und wird ein sauerstoffhaltiges Gas der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel, wie etwa reines Wasser, ein Ethylenglykol oder ein Öl, der Kühlmittelzuführpassage 22a zugeführt.
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Daher fließt, wie in den 1 und 4 gezeigt, das Brenngas von der Brenngaszuführpassage 24a von der Oberfläche 18b zu der Oberfläche 18a durch die Einlassdurchgangslöcher 55a hindurch. Das Brenngas fließt in den Einlasspuffer 54a und fließt in das Brenngasfließfeld 50 des zweiten Metallseparators 18. Das Brenngas fließt in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang der Anode 84 der Membranelektrodenanordnung 14 hin und her, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode 84 zu induzieren.
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Wie in 1 gezeigt, fließt das sauerstoffhaltige Gas von der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 20a durch den Einlasspuffer 32a und fließt in das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 26 des ersten Metallseparators 16. Das sauerstoffhaltige Gas fließt in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang der Kathode 82 der Membranelektrodenanordnung 14 hin und her, um eine elektrochemische Reaktion an der Kathode 82 zu induzieren.
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Somit werden in der Membranelektrodenanordnung 14 das der Anode 84 zugeführte Brenngas und das der Kathode 82 zugeführte sauerstoffhaltige Gas in den elektrochemischen Reaktionen an den Katalysatorschichten der Anode 84 und der Kathode 82 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
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Dann fließt das der Anode 84 zugeführte und an dieser verbrauchte Brenngas aus dem Auslasspuffer 54b heraus und fließt durch die Auslassdurchgangslöcher 55b zu der Oberfläche 18b. Das Brenngas wird in die Brenngasabführpassage 24b in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung abgeführt (siehe 1 und 4). Ähnlich fließt das der Kathode 82 zugeführte und an dieser verbrauchte sauerstoffhaltige Gas durch den Auslasspuffer 32b, und das sauerstoffhaltige Gas wird in die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführpassage 20b in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung abgeführt (siehe 1).
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Ferner fließt, wie in 6 gezeigt, das der Kühlmittelzuführpassage 22a zugeführte Kühlmittel aus dem Einlassverbindungskanal 72a heraus. Das Kühlmittel fließt durch die Einlasspuffer 36a, 56a und fließt in das Kühlmittelfließfeld 34 zwischen den ersten und zweiten Metallseparatoren 16, 18. Nachdem das Kühlmittel zur Kühlung der Membranelektrodenanordnung 14 verbraucht ist, fließt das Kühlmittel aus dem Auslassverbindungskanal 72b heraus und fließt durch die Auslasspuffer 36b, 56b und wird in die Kühlmittelabführpassage 22b abgeführt.
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In dieser Ausführung sind, wie in 5 gezeigt, die Rippenelemente 68a, 68b, 70a, 70b integral an dem zweiten Metallseparator 18 ausgebildet. Diese Rippenelemente 68a, 68b, 70a, 70b kontaktieren das erste Dichtungselement 40 des ersten Metallseparators 16 unter Druck, um den Einlassverbindungskanal 72a und den Auslassverbindungskanal 72b zu bilden. Somit ist es mit der einfachen Struktur möglich, die Kühlmittelzuführpassage 22a und die Kühlmittelabführpassage 22b zuverlässig mit dem Kühlmittelfließfeld 34 zu verbinden.
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Daher fließt das Kühlmittel glattgängig und in geeigneter Weise zwischen der Kühlmittelzuführpassage 22a und dem Kühlmittelfließfeld 34 sowie der zwischen dem Kühlmittelfließfeld 34 und der Kühlmittelabführpassage 22b, unabhängig von den Formen des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 26 und des Brenngasfließfelds 50, die an den ersten und zweiten Metallseparatoren 16, 18 ausgebildet sind.
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Ferner kontaktieren die Rippenelemente 68a, 68b, 70a, 70b das erste Dichtungselement 40 des ersten Metallseparators 16. Wenn somit eine Dichtziehkraft auf die Brennstoffzelle 10 in der mit dem Pfeil A angegebenen Stapelrichtung ausgeübt wird, ist es möglich, die Stromerzeugungszelle 12 ohne Verformung des Einlassverbindungskanals 72a und des Auslassverbindungskanals 72b wirkungsvoll zu kühlen.
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Ferner überlappen die Rippenelemente 68a, 68b, 70a, 70b mit zumindest einem Teil 60a bis 60d des Außenvorsprungs 60 als Dichtungselement, um eine Leckage in der Membranelektrodenanordnung 14 zu verhindern. Somit wird eine Reaktionskraft entgegen der auf die Membranelektrodenanordnung 14 ausgeübten Dichtkraft erzeugt, und es ist möglich, die Abdichtungseigenschaften der Membranelektrodenanordnung 14 durch den Außenvorsprung 60 geeignet einzuhalten.
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Ferner sind die Kühlmittelzuführpassage 22a und die Kühlmittelabführpassage 22b an Mittelpositionen der entgegengesetzten linken und rechten Enden der Stromerzeugungszelle 12 vorgesehen. Die ersten und zweiten verzweigten Nuten 74a, 76a des Einlassverbindungskanals 72a sind mit der Kühlmittelzuführpassage 22a verbunden, und die ersten und zweiten verzweigten Nuten 74b, 76b des Auslassverbindungskanals 72b sind mit der Kühlmittelabführpassage 22b verbunden. Somit ist es möglich, das Kühlmittel dem gesamten Kühlmittelfließfeld 34 glattgängig und zuverlässig zuzuführen, und in jeder der Stromerzeugungszellen 12 wird die Kühlwirkung verbessert.
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Eine Stromerzeugungszelle (12) enthält eine Membranelektrodenanordnung (14) sowie erste und zweite Metallseparatoren (16, 18), die die Membranelektrodenanordnung (14) zwischen sich aufnehmen. Rippenelemente (68a, 68b, 70a, 70b) sind integral an dem zweiten Metallseparator (18) ausgebildet, und diese Rippenelemente (68a, 68b, 70a, 70b) kontaktieren ein erstes Dichtungselement (40) des ersten Metallseparators (16) unter Druck, um einen Einlassverbindungskanal (72a) und einen Auslassverbindungskanal (22b) zu bilden. Die Kühlmittelzuführpassage (22a) und das Kühlmittelfließfeld (34) sind durch den Einlassverbindungskanal (72a) verbunden, und die Kühlmittelabführpassage (22b) und das Kühlmittelfließfeld (34) sind durch den Auslassverbindungskanal (72b) verbunden.
