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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die
Erfindung eine Verbesserung in der Struktur einer Brennstoffzelle.
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2. Beschreibung des einschlägigen Stands
der Technik
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Eine
Brennstoffzelle (wie eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) wird
typischerweise durch Übereinanderstapeln
von einer Mehrzahl von Zellen hergestellt, die jeweils ein Elektrolyt
aufweisen, das zwischen Separatoren sandwichartig angeordnet ist. Diese
Separatoren sind mit Rippen (Gassströmungsweg-Rippen) versehen,
die Strömungswege
ausbilden, indem sie den Bereich, durch den die Reaktionsgase (d.
h. ein Brenngas und ein Oxidationsgas) strömen, unterteilen. Diese Gasströmungsweg-Rippen verlaufen
z. B. im Allgemeinen parallel zueinander.
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Wenn
ein Separator herkömmlicherweise
mit solchen Rippen versehen ist, sind Rippen, die benachbarte Strömungswege
unterteilen, in den das Reaktionsgas in entgegengesetzten Richtungen strömt, häufig breiter
ausgeführt
als Rippen, die benachbarte Strömungswege
unterteilen, in denen das Reaktionsgas in der gleichen Richtung
strömt
(siehe z. B. japanische Patentveröffentlichungsschrift
JP-A-2001-76746 ).
Dies dient hauptsächlich
dazu, zu verhindern, dass das Reaktionsgas eine Abkürzung zu
einem benachbarten Strömungsweg
einschlägt,
indem es durch die Rippen hindurchsickert, wobei man dieses Phänomen als
Wegabkürzung
bezeichnet, und wird häufig
in Brennstoffzellen oder dergleichen genutzt, die sogenannte Serpentinen-Gasströmungswege
aufweisen.
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Selbst
bei Rippen, die in der vorstehend beschriebenen Weise strukturiert
sind, ist es jedoch schwierig, eine Wegabkürzung des Reaktionsgases ausreichend
zu verhindern. Wenn eine derartige Wegabkürzung eintritt und das Reaktionsgas
eine Abkürzung
im Verlauf seiner Strömung
nimmt, wird die Strömung
der Gase entlang ihrer Gasströmungswege
gestört,
wodurch die Gas-Stöchiometrie
im Leistungserzeugungsbereich reduziert wird, was zu einer Verringerung
des Leistungserzeugungsverhaltens führt.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung schafft somit eine Brennstoffzelle, die in der Lage ist,
eine Wegabkürzung
zu unterdrücken,
bei der ein Reaktionsgas eine Rippe durchquert.
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Wie
vorstehend beschrieben, besteht bei dem Phänomen, bei dem ein Reaktionsgasweg
gekürzt
wird, indem es Rippen durchquert, die Tendenz, dass es insbesondere
an einem Bereich um den Elektrodenbereich (d. h. an einem Bereich
knapp außerhalb
des äußeren Rands
der Elektrode) der MEA (Membranelektrodenanordnung) auftritt. Dies
ist darin begründet,
dass sogar bei Strukturen, in denen unter Verwendung einer Dichtungsvorrichtung
eine Dichtung zwischen dem Separator und der MEA vorgesehen ist,
oder bei denen der Separator und die MEA zusammengefügt sind,
beispielsweise, wenn ein Teil, wie ein z. B. ein Harzrahmen bereitgestellt ist,
sich aufgrund der Struktur am äußersten
Randbereich des Strömungswegs
ein Spalt bildet, der aufgrund der Teilemaßtoleranz oder Montagetoleranz verursacht
wird. In Anbetracht dessen, dass ein Spalt zwischen dem Separator
und der MEA an einem Bereich knapp außerhalb des äußeren Rands
der Elektrode auf diese Weise entstehen kann, der es möglich macht,
dass Gas aus diesem Spaltbereich in einen benachbarten Strömungsweg
ausströmen
kann, ist es wünschenswert,
ein Flüssigkeits-
oder Geldichtungsmittel mit dem Ziel zu verwenden, dass dieses Phänomen der
Wegabkürzung
nachhaltig unterdrückt
wird. Ein Flüssigkeits- oder Geldichtungsmittel,
das ein derartiges Fließverhalten
aufweist, dass es bis zu einem gewissen Grad härtet, nachdem es verteilt worden
ist, kann lokal vorhandene Spalten ohne Weiteres besser ausfüllen als
ein Dichtungsmittel wie eine Dichtung oder Packung. Darüber hinaus kann
ein solches Dichtungsmittel auch ohne Weiteres geringfügige, durch
Teilemaßtoleranz
oder Montagetoleranz verursachte Differenzen in einer jeweiligen
Zelle ausgleichen.
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft somit eine Brennstoffzelle, in der
eine Elektrode und ein Separator aneinandergestapelt sind, und die
eine Rippe beinhaltet, die auf dem Separator angeordnet ist und einen
Reaktionsgas-Strömungsweg
bildet, und somit dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rippe und
die Elektrode durch ein Dichtungsmittel befestigt sind, das ein
Fließverhalten
aufweist, und dass eine Porosität
eines Bereichs der Elektrode, der mit dem Dichtungsmittel imprägniert ist,
geringer ist als die eines anderen Bereichs der Elektrode. Das Flüssigkeitsdichtungsmittel,
das aus einem Klebstoff gebildet ist, imprägniert beispielsweise die Elektrode,
wodurch die Porosität
(Luftdurchlässigkeit)
der Elektrode reduziert wird. Dabei kann eine Wegabkürzung des
Reaktionsgases, das durch die Elektrode gelangt ist, um den Betrag
unterdrückt
werden, der dem Ausmaß entspricht,
in dem die Öffnungen,
durch die das Reaktionsgas gelangen kann, verstopft sind. In diesem Fall
kann es sich bei dem ein Fließverhalten
aufweisenden Dichtungsmittel um ein Gel-Dichtungsmittel handeln.
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Bei
einer solchen Brennstoffzelle kann die Rippe eine erste Rippe beinhalten,
die benachbarte Strömungswege
unterteilt, in denen die Strömungen in
der gleichen Richtung verlaufen, und eine zweite Rippe, die benachbarte
Strömungswege
unterteilt, in denen die Strömungen
in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, und das Dichtungsmittel
kann dabei nur für
die zweite Rippe bereitgestellt sein. Wenn eine Mehrzahl von Reaktionsgas-Strömungswegen parallel
zueinander ausgebildet ist, ist die Wahrscheinlichkeit beispielsweise
gering, dass bezüglich des
Leistungserzeugungsverhaltens Probleme auftreten, selbst wenn eine
Wegabkürzung
des Reaktionsgases zwischen den Reaktionsgaswegen auftritt, in denen
die Strömung
in der gleichen Richtung verläuft.
Wenn hingegen eine Wegabkürzung
des Reaktionsgases zwischen benachbarten Reaktionsgas-Strömungswegen
auftritt, in denen die Strömungen
in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, nimmt die Gas-Stöchiometrie
ab, wodurch das Leistungserzeugungsverhalten verschlechtert wird.
Diesbezüglich
ermöglicht
der Aspekt der Erfindung, bei dem das Dichtungsmittel für die zweite
Rippe bereitgestellt ist, die die Strömungswege un terteilt, in denen
die Strömungen
in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, eine Wegabkürzung, was
dazu führen kann,
dass eine Verschlechterung des Leistungserzeugungsverhaltens nachhaltig
unterdrückt
wird.
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Ferner
kann bei dieser Art von Brennstoffzelle das Dichtungsmittel nur
auf einem Verbindungsbereich der zweiten Rippe und der Elektrode
an einem äußeren Rand
eines Bereichs bereitgestellt sein, durch den das Reaktionsgas strömt. Wie
vorstehend beschrieben, kann ein Spalt zwischen dem Separator und
der MEA an einem Bereich knapp außerhalb des äußeren Rands
der Elektrode entstehen und durch diesen Spalt eine Wegabkürzung stattfinden.
Diesbezüglich
ermöglicht
der Aspekt der Erfindung, bei dem das Dichtungsmittel nachhaltig
an dem Bereich bereitgestellt ist, wo die zweite Rippe (d. h. die
Rippe, die benachbarte Strömungswege
unterteilt, in denen die Strömungen
in entgegengesetzte Richtungen verlaufen) die Elektrode an der äußeren Kante
des von Gas durchströmten
Bereichs kontaktiert, dass eine Wegabkürzung, die ein Leistungserzeugungsverhalten
verschlechtern kann, nachhaltig unterdrückt wird.
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Zudem
kann der Separator einen Dichtungsmittel-Speicherbereich aufweisen,
der in der Dickenrichtung von einem oberen Bereich der Rippe zum Speichern
von überschüssigem Dichtungsmittel
vertieft ausgelegt ist. Wie vorstehend beschrieben weist das Dichtungsmittel
ein Fließverhalten
auf, so dass es sich verteilt, ausströmt, nachdem es aufgebracht worden
ist, bis es hart wird. In einigen Fällen kann es sich sogar über einen
vorbestimmten Bereich hinaus verteilen und die Oberfläche der
MEA-Elektrode bedecken. Diesbezüglich
sorgt bei der dem Aspekt der Erfindung entsprechenden Brennstoffzelle
der Dichtungsmittel-Speicherbereich, der in dem Separator angeordnet
ist, dafür,
dass die Verteilung des Dichtungsmittels innerhalb eines festgelegten
Bereichs gehalten wird, wodurch verhindert wird, dass das Dichtungsmittel
unnötigerweise
die MEA-Elektrode bedeckt und den Leistungserzeugungsbereich reduziert.
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Ferner
darf nur ein Endbereich der Elektrode an zumindest einem Teil eines
Bereichs, wo ein Spalt zwischen der Elektrode und dem Dichtungsmittel
vorliegt, dick ausgebildet sein. Wenn die MEA (Membranelektrodenanordnung)
und der Separator aneinandergestapelt sind, kontaktiert der der
auf diese Weise dick ausgebildete Bereich die Innenoberfläche des
Separators, wodurch verhindert wird, dass das Reaktionsgas aus der
MEA herausströmt.
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Auch
in diesem Fall kann der Bereich des Endbereich der Elektrode, der
dick ausgebildet ist, gebildet werden, indem ein eine Elastizität aufweisendes
Element bereitgestellt wird, das von der Elektrode getrennt ist.
In diesem Fall besteht die Möglichkeit,
noch nachhaltiger zu verhindern, dass das Reaktionsgas ausströmen kann,
indem das verformte, elastische Element den Separator kontaktiert,
wobei es seine Elastizität
unter Beweis stellt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden anhand der nachstehenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung, in der identische Bezugszeichen zur Darstellung identischer
Element verwendet werden, besser verständlich. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsansicht einer beispielhaften Struktur
einer Brennstoffzelle gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
perspektivisch Ansicht, die eine beispielhafte Struktur eines Brennstoffzellenstapels schematisch
darstellt;
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3 eine
Draufsicht, die eine beispielhafte Form eines Separators auf der
Seite eines Wasserstoffgas-Strömungswegs
schematisch darstellt;
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4 eine
Draufsicht, die eine beispielhafte Form einer Zelle schematisch
darstellt, in der ein Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereich
auf einer Rippe angeordnet ist;
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5 eine
Ansicht, die ein Beispiel einer Querschnittform der Brennstoffzelle
schematisch darstellt;
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6 eine
Ansicht eines Beispiels einer Wulst einer Dichtung, die auf einem äußeren Rand (der
seitlichen Oberfläche)
einer Elektrode ausgebildet ist;
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7 eine
Ansicht eines weiteren Beispiels einer Wulst einer Dichtung, die
auf dem äußeren Rand
(der seitlichen Oberfläche)
der Elektrode ausgebildet ist;
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8 eine
Ansicht von einem weiteren Beispiel einer Struktur zum Reduzieren
von Luftdurchlässigkeit
in bestimmten Teilen der Elektrode; und
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9 eine
Ansicht von noch einem weiteren Beispiel einer Struktur zum Reduzieren
von Luftdurchlässigkeit
in bestimmten Teilen der Elektrode.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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In
der nachstehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung erfolgt eine
ausführlichere Beschreibung
der vorliegenden Erfindung unter Berücksichtigung von beispielhaften
Ausführungsformen.
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1 bis 9 zeigen
eine beispielhafte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
In der Brennstoffzelle (die nachstehend einfach als eine „Zelle" bezeichnet wird) 2 sind
in dieser beispielhaften Ausführungsform
Rippen 21, die auf einem Separator 20 und einer
Elektrode 32 (32a und 32b) angeordnet
sind, durch ein flüssiges
Dichtungsmittel befestigt, und das in die Elektrode 32 imprägnierte
flüssige
Dichtungsmittel reduziert die Porosität der Elektrode, die hier geringer
ist als in anderen Bereichen. Dabei wird eine Wegabkürzung des Reaktionsgases,
das durch die Elektrode 32 strömt, um einen Betrag verhindert,
der gleich dem Ausmaß entspricht,
in dem die Öffnungen,
die dem Reaktionsgas erlauben, hindurchzuströmen, verstopft sind.
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In
der nachstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform
erfolgt zunächst
eine Beschreibung der allgemeinen Struktur der Zellen 2,
die die Brennstoffzelle 1 ausmachen, sowie der allgemeinen
Struktur eines Zellenstapelkörpers 3,
der aus einer Mehrzahl von gestapelten Zellen 2 gebildet
ist. Anschließend
erfolgt eine Beschreibung der Struktur zur nachhaltigen Verhinderung
einer Wegabkürzung des
Reaktionsgases.
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1 ist
eine schematische Ansicht der allgemeinen Struktur von einer der
Zellen 2 der Brennstoffzelle 1 in dieser beispielhaften
Ausführungsform. Eine
Mehrzahl von Zellen 2, die wie in der Zeichnung dargestellt
strukturiert sind, ist in Reihe aneinandergestapelt, um einen Zellenstapelkörper 3 zu
bilden (siehe 2). Zudem wird der durch diesen
Zellenstapelkörper 3 und
dergleichen gebildete Brennstoffzellenstapel dann mit einer in der
Stapelrichtung angelegten Last verbunden, wobei beispielsweise beide
Enden des Stapels zwischen einem Paar von Endplatten 8 sandwichartig
angeordnet sind, und Halteelemente, die aus Spannplatten 9 gebildet
sind, dann so angeordnet werden, dass sie diese Endplatten 8 zusammenhalten
(siehe 2).
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Im Übrigen kann
die Brennstoffzelle 1, die aus einem solchen Brennstoffzellenstapel
und dergleichen gebildet ist, beispielsweise als ein im Fahrzeug
befindliches Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs
verwendet werden (FCHV: Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug), ist jedoch nicht
auf eine solche Anwendung beschränkt.
Das heißt,
dass die Brennstoffzelle 1 als ein Leistungserzeugungssystem
verwendet werden kann, das in verschiedenen Arten von mobilen Karosserien
(wie Marineschiffen und Flugzeugen) oder einem automatisierbaren
Körper
wie einem Roboter oder dergleichen eingebaut ist, und auch als ein
stationäres
Leistungserzeugungssystem verwendet werden kann.
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Die
Zelle 2 beinhaltet ein Elektrolyt (ein spezifisches Beispiel
dafür ist
eine Membranelektrodenanordnung, die nachstehend als „MEA" bezeichnet wird) 30 und
ein Paar von Separatoren 20 (die durch die Bezugszeichen 20a und 20b in 1 bezeichnet sind),
zwischen denen die MEA 30 sandwichartig angeordnet ist,
und dergleichen (siehe 1). Die MEA 30 und
die Separatoren 20a und 20b sind jeweils in einer
im Allgemeinen rechteckigen Plattenform ausgebildet. Zudem ist die
MEA 30 so ausgebildet, dass deren äußere Form geringer ist als
die der äußeren Formen
der Separatoren 20a und 20b.
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Die
MEA 30 beinhaltet eine aus einer Ionenaustauschmembran
aus Polymermaterial bestehende Polymerelektrolytmembran (die nachstehend
als „Elektrolytmembran" bezeichnet wird) 31 und
ein Paar von Elektroden (eine anodenseitige Diffusionselektrode
und eine kathodenseitige Diffusionselektrode) 32a und 32b,
zwischen denen die Elektrolytmembran 31 von beiden Seiten
her sandwichartig angeordnet ist (siehe 1). Die
Elektrolytmembran 31 ist größer ausgebildet als die Elektroden 32a und 32b. Die
Elektroden 32a und 32b werden mit der Elektrolytmembran 31,
z. B. durch ein Wärmepressverfahren,
derart an Positionen verbunden, dass die Randbereiche 33 der
Elektrolytmembran 31 unbedeckt bleiben.
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Die
Elektrolyte 32a und 32b, die einen Teil der MEA 30 ausmachen,
sind beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial (Diffusionslagen) gebildet,
die eine Katalysator wie ein an der Oberfläche haftendes Platin tragen.
Ein Wasserstoffgas wird als ein Brenngas (ein Reaktionsgas) einer
der Elektroden (der Anode) 32a zugeführt, während ein Oxidationsgas (ein
Reaktionsgas) wie Luft oder ein Oxidationsmittel der anderen Elektrode
(der Kathode) 32b zugeführt
wird. Eine elektromotorische Kraft wird dann in der Zelle 2 durch
die elektrochemische Reaktion erzeugt, die zwischen diesen beiden
Arten von Reaktionsgasen in der MEA 30 stattfindet.
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Die
Separatoren 20 (20a und 20b) sind aus einem
gasdurchlässigen,
leitfähigen
Material wie Kohlenstoff, einem harten, leitfähigen Harz oder einem Metall
wie Aluminium oder rostfreiem Stahl gebildet. Die Substrate der
Separatoren 20 (20a und 20b) sind in
dieser beispielhaften Ausführungsform aus
einem plattenförmigen
Metal (d. h. einem Metalseparator) gebildet, und eine hoch korrosionsbeständige Membran
(wie eine aus Goldplattierung gebildete Membran) ist auf den Oberflächen dieser
Substrate ausgebildet, die sich am nächsten zu den Elektroden 32a und 32b befinden.
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Zudem
sind rillenförmige
Strömungswege, die
aus einer Mehrzahl von konkaven Bereichen gebildet sind, auf beiden
Seiten der Separatoren 20a und 20b gebildet. Diese
Strömungswege
können
im Fall der Separatoren 20a und 20b dieser beispielhaften
Ausführungsform,
in der die Substrate beispielsweise aus einem plattenförmigen Metall
gebildet sind, durch Pressformen gebildet werden. Die rillenförmigen Strömungswege,
die auf diese Weise gebildet werden, bilden einen Gasströmungsweg 34 für das Oxidationsgas,
einen Gasströmungsweg 35 für das Wasserstoffgas
oder einen sogenannten Kühlmittelströmungsweg 36.
Insbesondere ist eine Mehrzahl der Gasströmungswege 35 für ein Wasserstoffgas
auf der inneren Oberfläche,
d. h. auf der zur Elektrode 32a am nächsten befindlichen Seite,
des Separators 20a ausgebildet, während eine Mehrzahl der Kühlmittelströmungswege 35 auf
der Rückseite
(d. h. auf der äußeren Oberfläche) dieses
Separators 20a gebildet ist (siehe 1). Desgleichen
ist eine Mehrzahl der Gasströmungswege 34 für ein Oxidationsgas
auf der inneren Oberfläche,
d. h. auf der zur Elektrode 32b am nächsten befindlichen Seite,
des Separators 20b ausgebildet, während eine Mehrzahl der Kühlmittelströmungswege 36 auf
der Rückseite
(d. h. auf der äußeren Oberfläche) dieses
Separators 20b ausgebildet ist (siehe 1).
In dieser beispielhaften Ausführungsform
ist die Struktur beispielsweise dergestalt, dass bei zwei benachbarten
Zellen 2 die beiden Kühlmittelströmungswege 36,
wenn die äußere Oberfläche des
Separators 20a von einer Zelle 2 der äußeren Oberfläche des
Separators 20b der benachbarten Zelle 2 entspricht,
zusammenlaufen, um einen einzigen Kühlmittelströmungsweg 36 mit einem Querschnitt
zu bilden, der beispielsweise eine rechteckige oder bienenwabenförmige Form
aufweist.
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Wie
vorstehend beschrieben, sind die Separatoren 20a und 20b ferner
dergestalt, dass zumindest die konkaven und konvexen Formen zum
Ausbilden der Fluidströmungswege
auf den Vorder- und Rückseiten
umgekehrt sind. Insbesondere dient bei dem Separator 20a die
hintere Oberfläche
der konvexen Form (konvexen Rippe), die den Gasströmungsweg 35 für das Wasserstoffgas
ausbildet, als die konkave Form (konkave Rille), die den Kühlmittelströmungsweg 36 ausbildet,
und die hintere Oberfläche der
konkaven Form (konkaven Rille), die den Gasströmungsweg 35 ausbildet,
dient als die konvexe Form (konvexe Rippe), die den Kühlmittelströmungsweg 36 ausbildet.
Zudem dient bei dem Separator 20b die hintere Oberfläche der
konvexen Form (konvexen Rippe), die den Gasströmungsweg 34 für das Oxidationsgas
ausbildet, als die konkave Form (konkave Rille), die den Kühlmittelströmungsweg 36 ausbildet,
und die hintere Oberfläche
der konkaven Form (konkaven Rille), die den Gasströmungsweg 34 ausbildet,
dient als die konvexe Form (konvexe Rippe), die den Kühlmittelströmungsweg 36 ausbildet.
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Zudem
sind ein einlassseitiges Oxidationsgasverteilerelement 15a,
ein auslassseitiges Wasserstoffgasverteilerelement 16b und
ein auslassseitiges Kühlmittelverteilerelement 17b nahe
des Endbereichs in der Längenrichtung
der Separatoren 20a und 20b (d. h. in der Nähe des einen
Endbereichs, der im Fall dieser beispielhaften Ausführungsform
in 1 auf der linken Seite gezeigt ist) ausgebildet.
In dieser beispielhaften Ausführungsform
sind z. B. diese Verteilerelemente 15a, 16b und 17b durch
im Allgemeinen rechteckige und trapezförmige Öffnungen ausgebildet, die in
den Separatoren 20a und 20b ausgebildet sind (siehe 1).
Ferner sind ein auslassseitiges Oxidationsgas-Verteilerelement 15b, ein einlassseitiges
Wasserstoff-Verteilerelement 16a und ein einlassseitiges
Kühlmittelverteilerelement 17a an dem
Endbereich auf der Seite der Separataren 20a und 20b gegenüber den
Verteilerelementen 15a, 16b und 17b gebildet.
In dieser beispielhaften Ausführungsform
sind diese Verteilerelemente 15b, 16a und 17a ebenfalls
durch im Allgemeinen rechteckige oder trapezförmige Öffnungen ausgebildet (siehe 1). Im Übrigen sind
in 2 und dergleichen die Bezugszeichen der Verteilerelemente
ohne die hinzugefügten
Buchstaben a und b gezeigt.
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Von
den vorstehend beschriebenen Verteilerelementen stehen das einlassseitige
Wasserstoffgas-Verteilerelement 16a und das auslassseitige Verteilerelement 16b des
Separators 20a zum Gasströmungsweg 35 für das Wasserstoffgas über jeweils
eine einlassseitige Verbindungsleitung 61 und eine auslassseitige
Verbindungsleitung 62 offen, die in Rillenformen in dem
Separator 20a ausgebildet sind. Desgleichen sind das einlassseitige
Oxidationsgas-Verteilerelement 15a und das auslassseitige Verteilerelement 15b des
Separators 20b zum Gasströmungsweg 34 für das Oxidationsgas über je weils eine
einlassseitige Verbindungsleitung 63 und eine auslassseitige
Verbindungsleitung 64 offen, die in Rillenformen in dem
Separator 20b ausgebildet sind (siehe 1).
Zudem sind das einlassseitige Kühlmittel-Verteilerelement 17a und
das auslassseitige Verteilerelement 17b der Separatoren 20a und 20b zum
Kühlmittelströmungsweg 36 über jeweils
eine einlassseitige Verbindungsleitung 65 und eine auslassseitige
Verbindungsleitung 66 offen, die in Rillenformen in den
Separatoren 20a und 20b ausgebildet sind. Die
bisher beschriebene Struktur der Separatoren 20a und 20b ermöglicht,
dass Oxidationsgas, das Wasserstoffgas und Kühlmittel der Zelle 2 zugeführt werden
können.
Ein spezifisches Beispiel dafür
wird nun angeführt.
Wenn die Zellen 2 gestapelt sind, strömt beispielsweise ein Wasserstoffgas
von dem einlassseitigen Verteilerelement 16a des Separators 20a in
den Gasströmungsweg 35 durch
die Verbindungsleitung 61. Nachdem es der Erzeugung von Leistung
in der MEA 30 dienlich war, strömt das Wasserstoffgas dann
durch die Verbindungsleitung 62 und hinaus durch das auslassseitige
Verteilerelement 16b.
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Ein
erstes Dichtungselement 13a und ein zweites Dichtungselement 13b sind
beide aus einer Mehrzahl von Elementen (wie z. B. vier kleinen Körpern aus
einem rechteckigen Rahmen und einem Körper aus einem großen Rahmen,
der einen Fluidströmungsweg
ausbildet) gebildet (siehe 1). Von diesen
ist ein erstes Dichtungselement 13a zwischen der MEA 30 und
dem Separator 20a angeordnet. Insbesondere ist das erste
Dichtungselement 13a so angeordnet, dass ein Bereich desselben
zwischen dem Randbereich 33 des Elektrolytelements 31 und
einem Bereich des Separators 20a angeordnet ist, der den
Gasströmungsweg 35 umgibt.
Zudem ist ein zweites Dichtungselement 13b zwischen der
MEA 30 und dem Separator 20b angeordnet. Insbesondere ist
das zweite Dichtungselement 13b so angeordnet, dass ein
Bereich desselben zwischen dem Randbereich 33 des Elektrolytelements 31 und
einem Bereich des Separators 20b angeordnet ist, der den Gasströmungsweg 34 umgibt.
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Außerdem ist
ein drittes Dichtungselement 13c, das aus einer Mehrzahl
von Elementen (wie z. B. vier kleinen Körpern aus einem rechteckigen
Rahmen und einem Körper
aus einem großen
Rahmen, der einen Fluidströmungsweg
ausbildet) gebildet ist, zwischen dem Separator 20a und
dem Separator 20b der benachbarten Zellen 2 angeordnet
(siehe 1). Das dritte Dichtungselement 13c ist
zwischen einem Bereich des Separators 20b um den Kühlmittelströmungsweg 36 herum
und einem Bereich des Separators 20a um den Kühlmittelströmungsweg 36 herum
angeordnet, wodurch eine Dichtung dazwischen geschaffen wird.
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Das
erste bis dritte Dichtungselement 13a bis 13c kann
jeweils aus einem elastischen Körper (einer
Dichtung) gefertigt sein, der ein Fluid abdichtet, indem er das
benachbarte Element kontaktiert, oder aus einem Klebstoff oder dergleichen,
der durch eine chemische Verbindung mit dem benachbarten Element
haften bleibt. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein jeweiliges
der Dichtungselemente 13a bis 13c ein Element,
das unter Verwendung seiner Elastizität eine physikalische Dichtung
bereitstellt. Alternativ kann jedoch ein jeweiliges Element 13a bis 13c auch
eine Element sein, das eine Dichtung durch eine chemische Verbindung
wie einen vorstehend beschriebenen Klebstoff bereitstellt.
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Bei
einem rahmenförmigen
Element 40 handelt es sich z. B. um ein aus Harz gefertigtes
Element, das zusammen mit der MEA 30 zwischen den Separataren 20a und 20b sandwichartig
angeordnet ist (wobei dieses rahmenförmige Element nachstehend auch
als „Harzrahmen" bezeichnet wird).
In dieser beispielhaften Ausführungsform
ist beispielsweise der Harzrahmen 40, der eine dünne Rahmenform aufweist,
zwischen den Separatoren 20a und 20b angeordnet
und umgibt zumindest einen Bereich wie den Bereich entlang dem Randbereich 33 der
MEA 30 von der Vorder- und Rückseite in sandwichartiger Weise.
Der Harzrahmen 40, der auf diese Weise bereitgestellt ist,
funktioniert somit 1) als ein Abstandshalter zwischen den Separatoren 20 (20a und 20b), der
die Klemmkraft unterstützt,
2) als ein Isolierelement und 3) als ein Versteifungselement, das
die Steifigkeit der Separatoren 20 (20a und 20b)
verstärkt.
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Anschließend erfolgt
eine einfache Beschreibung der Struktur der Brennstoffzelle 1 (siehe 2). Die
Brennstoffzelle 1 beinhaltet in dieser beispielhaften Ausführungsform
den Zellenstapelkörper 3,
bei dem eine Mehrzahl der Zellen 2 aneinanderge stapelt ist.
Eine Kollektorplatte mit einem Ausgangsanschluss, einer Isolierplatte
und einer Endplatte 8 sind dann jeweils in einer Reihenfolge
auf den äußeren Seiten
der Zellen 2 angeordnet, welche an beiden Enden des Zellenstapelkörpers 3 positioniert
sind (siehe 2). Ferner sind Spannplatten 9 bereitgestellt,
die den Zellenstapelkörper 3 und
dergleichen in einem gestapelten Zustand halten, wobei sie sich zwischen
den Endplatten 8 erstrecken, z. B. ist ein Paar der Spannplatten 9 so
angeordnet, das sie zu beiden Seiten des Stapels hin gerichtet sind
(siehe 2). Die Spannplatten 9 sind mit den End-
bzw. Abschlussplatten 8 verbunden, wodurch eine vorbestimmte
Klemmkraft (d. h. eine Kompressionlast), die in der Stapelrichtung
des Zellenstapelkörpers 3 ausgeübt wird,
beibehalten wird. Ferner ist ein Isolierfilm, der nicht gezeigt
ist, der zur Verhinderung einer elektrischen Leckströmung und
Funkenbildung dient, auf der inneren Oberfläche ausgebildet (d. h. die
Oberfläche,
die zum Zellenstapelkörper 3 hin
gerichtet ist). Dieser Isolierfilm ist beispielsweise aus einem
Isolierband, das an der inneren Oberfläche der Spannplatten 9 haftet,
oder aus einer Harzbeschichtung gebildet, die aufgebracht wird,
um die Oberflächen
oder dergleichen zu bedecken. Im Übrigen ist ein elastisches
Modul, das beispielsweise aus seiner Schraubenfeder gebildet ist,
die auf den Brennstoffzellenstapel eine Klemmkraft (d. h. eine Kompressionlast) ausübt (siehe 2),
von einem ein Paar von plattenförmigen
Elementen 12 sandwichartig umgeben.
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Des
Weiteren erfolgt eine Beschreibung der Struktur der Zelle (d. h.
der Brennstoffzelle) 2, die auf diese beispielhafte Ausführungsform
bezogen ist und die eine Wegabkürzung
des Reaktionsgases nachhaltig verhindert (siehe 4 etc.).
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In
dieser beispielhaften Ausführungsform
ist eine Mehrzahl von Rippen 21 auf beiden Seiten der Separatoren 20 (20a und 20b)
bereitgestellt. Der Gasströmungsweg 34 für Oxidationsgas,
der Gasströmungsweg 35 für Wasserstoffgas
und der Kühlmittelströmungsweg 36 sind
durch die konkaven Bereiche ausgebildet, die zwischen dieser Mehrzahl von
Rippen 21 gebildet sind. Wie vorstehend beschrieben ist,
sind in der Zelle 2 die Rippen 21, die auf den
Separatoren 20 angeordnet sind, und die Elektroden 32 (32a und 32b)
durch ein flüssiges Dichtungsmittel
befestigt. Das in die Elektroden 32 imprägnierte,
flüssige
Dichtungsmittel reduziert die Porosität (d. h. den Prozentsatz der Öffnungen,
durch die ein Reaktionsgas gelangen kann) der Elektroden 32.
Dabei sind in dem mit dem flüssigen
Dichtungsmittel imprägnierten
Bereich die Öffnungen,
durch die ein Reaktionsgas gelangen kann, weniger als sie es zumindest
in anderen Bereichen sind, wodurch es für ein Reaktionsgas schwieriger
wird, hindurchzugelangen, wodurch ermöglicht wird, dass eine Wegabkürzung bis
zu einem gewissen Grad gehemmt werden kann.
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Ein
flüssiger
Klebstoff ist ein Beispiel für
das hier verwendete, flüssige
Dichtungsmittel, doch ist das flüssige
Dichtungsmittel nicht speziell auf dieses spezifische Beispiel beschränkt. Ferner
unterliegen auch Eigenschaften wie das Fließverhalten (Viskosität) des flüssigen Dichtungsmittels
ebenfalls keiner speziellen Beschränkung. Darüber hinaus kann auch beispielsweise
ein als Dichtmittel bezeichnetes Dichtungsmittel, ein Dichtungsmittel
in Gelform oder eine flüssige
Packung verwendet werden.
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Nachstehend
erfolgt die Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform,
bei der die Erfindung auf einen Separator 20 mit einem
sogenannten Serpentinen-Strömungsweg 35 angewendet
worden ist (siehe 3 und 4). Im Übrigen ist 4 nur eine
schematische Darstellung der Hauptrippen 21, die den Serpentinen-Strömungsweg
bilden (d. h. der zweiten Rippen 21b, die benachbarte Strömungswege
unterteilen, in denen die Strömungen
in entgegengesetzten Richtungen strömen). Andere Rippen (d. h.
erste Rippen 21a, die benachbarte Strömungswege unterteilen, in denen
die Strömungen
in der gleichen Richtung verlaufen) können ebenfalls zwischen diesen
Rippen 21 bereitgestellt sein (siehe 3 und 5).
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Hier
ist in dieser beispielhaften Ausführungsform, wenn sowohl die
ersten Rippen 21a als auch die zweiten Rippen 21b wie
vorstehend beschrieben angeordnet sind, das flüssige Dichtungsmittel nur für die zweiten
Rippen 21b bereitgestellt. Wenn z. B. eine Mehrzahl der
Wasserstoff-Strömungswege 35 parallel
zueinander ausgebildet sind, wird es in Bezug auf das Leistungserzeugungsverhalten
nicht zu Problemen kommen, selbst wenn eine Wegabkürzung des
Wasserstoffgases zwischen den Wasserstoffgas-Strömungswegen 35,
in denen die Strömung
in der gleichen Richtung verläuft,
eintritt. Wenn sich hingegen eine Wegabkürzung des Wasserstoffgases
zwischen benachbarten Wasserstoffgas-Strömungswegen 35 ereignet,
in denen die Strömungen in
entgegengesetzten Richtung verlaufen, nimmt die Gas-Stöchiometrie
ab, die dafür
sorgen kann, dass sich das Leistungserzeugungsverhalten verschlechtert.
Diesbezüglich
ermöglicht
die Bereitstellung des flüssigen
Dichtungsmittels für
die zweiten Rippen 21b, die die Strömungswege 35 unterteilen,
in denen sich die Strömungen
in entgegengesetzten Richtungen bewegen, dass eine Wegabkürzung, die
zu einer Verschlechterung des Leistungserzeugungsverhaltens führen kann,
nachhaltig unterdrückt
wird. Außerdem
ist eine derartige Einschränkung
bzw. Eingrenzung der Stellen, wo das flüssige Dichtungsmittel auf die
Bereiche aufgebracht wird, wo es besonders erforderlich ist, auch
wirksam beim Erreichen des gewünschten
Effekts, während
gleichzeitig ein Materialverlust reduziert wird.
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Wenn
zudem die Stellen, wo das flüssige Dichtungsmittel
aufgetragen wird, auf diese Weise eingegrenzt werden, kann das flüssige Dichtungsmittel
gezielt nur dort bereitgestellt werden, wo die zweiten Rippen 21b die
Elektrode 32 an einem äußeren Rand
des Bereichs kontaktieren, wo das Wasserstoffgas strömt. Obgleich
sich zwischen den Separatoren 20 an dem Bereich knapp außerhalb
der äußeren Kante
der Elektrode 32 Spalten bilden können und an diesen Spalten
eine Wegabkürzung
stattfinden kann, ermöglicht
ein gezieltes Bereitstellen des flüssigen Dichtungsmittels an
den Bereichen, wo die zweiten Rippen 21b die Elektrode 32 an
der äußeren Kante
des Bereichs, wo das Wasserstoffgas strömt, kontaktieren, dass eine
Wegabkürzung,
die zu einer Verschlechterung des Leistungserzeugungsverhaltens
führt,
noch wirksamer unterdrückt
werden kann.
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Außerdem sind
in dieser beispielhaften Ausführungsform
für den
Zweck des Speicherns von überschüssigem flüssigem Dichtungsmittel
Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereiche 22 vorgesehen, die
in der Dickenrichtung von der Oberseite der Rippen 21 vertieft
sind (siehe 4). Das flüssige Dichtungsmittel kann
sich weitgehend verteilen, was vom Material abhängig ist, während es zwischen dem Zeitpunkt,
zu dem es aufgetragen wird, und dem Zeitpunkt, wenn es fest wird,
ausströmt,
und kann sich sogar über
den vorbestimmten Bereich hinaus verteilen und die Oberfläche der
Elektrode 32 bedecken. In dieser beispielhaften Ausführungsform
sorgen jedoch die Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereiche 22,
die in dem Separator 20 vorgesehen sind, dafür, dass
die Verteilung des flüssigen
Dichtungsmittels innerhalb eines feststehenden Bereichs gehalten
wird, wodurch verhindert wird, dass sich das flüssige Dichtungsmittel über den
vorbestimmten Bereich hinaus verteilt und die Elektrode 32 unnötigerweise
bedeckt wird. Dabei kann eine Reduktion im Leistungserzeugungsbereich
unterdrückt
werden.
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Die
Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereiche 22 sind
nicht speziell auf dieses spezifische Beispiel beschränkt. In
der beispielhaften Ausführungsform
sind z. B. schräge
Rippen 21c an einem jeweiligen Wendebereich in dem Serpentinen-Strömungsweg 35 und
an den Eckbereichen des Wasserstoffgaseinlasses (einlassseitiges
Wasserstoffgas-Verteilerelement 16a) und des Auslasses
(auslassseitiges Wasserstoffgas-Verteilerelement 16b) vorgesehen, um
einen im Allgemeinen dreieckigen Raum zu bilden, der als der Flüssigdichtungs-Speicherbereich 22 dient
(siehe 4). Im Übrigen
sind die Rippen im Allgemeinen an den Bereichen Y-förmig ausgebildet, wo
die schrägen
Rippen 21c auf beiden Seiten der zweiten Rippen 21b angeordnet
sind. Die Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereiche 22,
die an diesen Bereichen ausgebildet sind, sind näherungsweise zweimal so groß wie die
Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereiche 22 an
anderen Bereichen.
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Zudem
wird vom Standpunkt einer wirksameren Unterdrückung einer Wegabkürzung des Wasserstoffgases
aus besehen eine weitere Struktur ebenfalls vorzugsweise mit der
vorstehend beschriebenen kombiniert. In dieser beispielhaften Ausführungsform
ist beispielsweise nur ein Endbereich der Elektrode (Diffusionsschicht) 32 an
zumindest einem Teil eines Bereichs dick ausgebildet, wo ein Spalt zwischen
der Elektrode und dem flüssigen
Dichtungsmittel vorliegt (siehe 5). In diesem
Fall ist die Luftdurchlässigkeit
(d. h. die Leichtigkeit, mit der ein Gas hindurchgelangen kann)
der Elektroden-(Diffusions-)Schicht 32 in bestimmten Bereichen
reduziert, wodurch ermöglicht
wird, weiter zu verhindern, dass ein Wasserstoffgas aus dem Bereich
um die Elektro de 32 herum (d. h. dem Bereich knapp außerhalb
des äußeren Rands
der Elektrode) ausströmt.
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Ein
spezifisches Beispiel dafür
ist wie folgt: Eine Dichtung 23 ist beispielsweise entlang
dem Bereich um (d. h. die Seitenoberfläche) der Elektrode 23 bereitgestellt.
Diese Dichtung 23 ist dicker ausgebildet als der Endbereich
der Elektrode 32, und zwar um einen Betrag, der den Wülsten 23a entspricht,
die an der Vorderseite und der Rückseite
der Elektrode 32 ausgebildet sind (siehe 5 und 6).
In diesem Fall funktionieren die Wülste 23a, die auf
beiden Seiten der MEA 30 ausgebildet sind, als Lippen,
die sich gegen die Oberflächen
der Separatoren 20 gedrückt
werden. Diese Wülste 23a verformen
sich, während
sie dagegen gedrückt
werden, und reduzieren somit die Luftdurchlässigkeit der Elektrode 32 in bestimmten
Bereichen. Das Material der Dichtung 23 ist nicht im Speziellen
darauf beschränkt,
sondern ist vorzugsweise ein Gummimaterial, das diese Art der Lippenfunktion
für einen
längeren
Zeitraum beibehalten kann.
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Alternativ
kann eine Dichtung 23 auf sowohl der Vorder- als auch der
Rückseite
entlang dem äußeren Rand
der Elektrode 32 angeordnet sein, und auf dieser Dichtung 23 können Wülste ausgebildet sein
(siehe 7). In dieser beispielhaften Ausführungsform
wird die Luftdurchlässigkeit
synergistisch reduziert, indem der äußere Randbereich der Elektrode 32 mit
flüssigem
Dichtungsmittel imprägniert wird
und darüber
hinaus die Dichtung 23 auf beiden Seiten dieses Bereichs
angeordnet wird.
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Im Übrigen sind 6 und 7 nur
Darstellungen von bevorzugten Beispielen. Darüber hinaus kann die Luftdurchlässigkeit
der Elektrode 32 in bestimmten Bereichen beispielsweise
auch dadurch reduziert werden, dass die Elektrode 32 an
sich in bestimmten Bereich dicker ausgebildet wird, wodurch rippenförmige Vorsprünge 20r auf
den inneren Randoberflächen
der Separatoren 20 in Positionen geschaffen werden, die
mit der Position einer Dichtung 23 ohne Wülste ausgerichtet
sind, die auf dem äußeren Rand
(der seitlichen Oberfläche)
der Elektrode 32 (siehe 8) ausgebildet
ist, oder wodurch rippenförmige
Vorsprünge 20r auf
den inneren Randoberflächen
der Separatoren 20 in Positionen geschaffen werden, die
mit Bereichen der Elektrode 32 ausgerichtet sind, die mit
flüssigem
Dichtungsmittel imprägniert
sind (d. h. der in 9 punktiert dargestellte Bereich).
Angesichts der Höhe
und Dichtbarkeit der Lippen, die die Separataren 20 kontaktieren,
wird eine separate Dichtung (wie die vorstehend beschriebene Dichtung 23)
vorzugsweise unabhängig
von der Elektrode 32 bereitgestellt, die durch diese beispielhafte
Ausführungsform
gezeigt wird.
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Wie
bislang beschrieben worden ist, ist in der Zelle (d. h. der Brennstoffzelle) 2 diese
beispielhaften Ausführungsform
ein Bereich der Elektrode 32 der MEA 30 mit einem
flüssigen
Dichtungsmittel imprägniert,
wodurch die Porosität
der Elektrode 32 reduziert wird. Selbst wenn beispielsweise
ein Spalt zwischen den Separataren 20 und der MEA 20 an
einem Bereich knapp außerhalb
des äußeren Rands
der Elektrode der MEA 30 vorhanden ist, wird durch diese
Art von Zelle 2 verhindert, dass Wasserstoffgas aus diesem
Spaltbereich austritt und in einen benachbarten Strömungsweg 35 ausläuft, d.
h. ein Weg durch die Rippen 21 abgekürzt wird.
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Außerdem sind
in dieser beispielhaften Ausführungsform
Flüssigdichtungsmittel-Speicherbereiche 22 bereitgestellt,
die einen Bereich der Rippen 21 unterteilen, wodurch überschüssiges flüssiges Dichtungsmittel
gespeichert werden kann. Infolgedessen wird verhindert, dass sich
ein flüssiges
Dichtungsmittel über
einen gewünschten
Bereich hinaus ausbreitet. Daher wird die Leistungserzeugungsoberfläche der
Elektrode 32 nicht unnötig
bedeckt, wodurch eine Verringerung des Leistungserzeugungsbereichs
unterdrückt
wird. Infolgedessen kann eine Verringerung des Leistungserzeugungsverhaltens,
die durch das flüssige
Dichtungsmittel bewirkt wird, verhindert werden.
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Zusätzlich kann
beispielsweise gemäß der Zelle 2 dieser
beispielhaften Ausführungsform,
in der nur der Endbereich der Elektrode 32 dick ausgebildet ist,
indem die Wülste 32a auf
der Dichtung 23 bereitgestellt werden, wirksamer unterdrückt werden,
dass das Wasserstoffgas eine Abkürzung
nimmt, bei der es durch einen Spalt in dem äußeren Randbereich der Elektrode 32 herausströmt.
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Im Übrigen handelt
es sich bei der vorstehenden beispielhaften Ausführungsform einfach um eine
bevorzugte beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung. Die Erfindung ist keineswegs auf diese beispielhafte
Ausführungsform
beschränkt.
Es können
im Gegenteil verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden, ohne
vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. In der vorstehenden
beispielhaften Ausführungsform
wird z. B. die Erfindung auf die Zelle 2 angewendet, die
einen Serpentinen-Strömungsweg 35 aufweist.
Der anwendbare Schutzbereich der Erfindung ist jedoch nicht auf
diese Art von Serpentinen-Strömungsweg
beschränkt.
Die Erfindung kann beispielsweise natürlich auch auf eine Zelle 2 angewendet
werden, in der der Strömungsweg 35 gerade
ausgeführt
ist. Weil jedoch eine Wegabkürzung
des Reaktionsgases dazu neigt, insbesondere an den Windungsbereichen
des Strömungswegs 35 aufzutreten,
wird die Erfindung im Besonderen bevorzugt auf eine Zelle 2 angewendet,
die einen serpentinenartigen Separator 20 beinhaltet, wie
in 4 gezeigt ist.
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Zudem
handelte es sich in der vorstehenden beispielhaften Ausführungsform
bei dem beschriebenen Reaktionsgas um Wasserstoffgas, doch war dies lediglich
als Beispiel angeführt.
Die Erfindung kann auch mit Oxidationsgas angewendet werden, wie dies
in der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform
der Fall war.
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Gemäß der beispielhaften
Ausführungsform der
Erfindung kann eine Wegabkürzung,
bei der ein Reaktionsgas eine Rippe durchquert, verhindert werden.
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Obgleich
die Erfindung unter Bezugnahme auf deren beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung
nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen oder Konstruktionen
beschränkt
ist. Die Erfindung soll im Gegenteil verschiedene Modifizierungen und
entsprechende Anordnungen abzudecken. Obgleich darüber hinaus
die verschiedenen Elemente der beispielhaften Ausführungsformen
in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind,
die beispielhafter Natur sind, befinden sich andere Kombinationen
und Konfigurationen, die mehr Elemente, weniger Elemente oder nur
einziges Element beinhalten, ebenfalls im Geist und Schutzbereich
der Erfindung.