DE102011007304A1 - Polymer electrolyte fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellenstapel, in dem mit Rahmen integrierte MEAs mit jeweils einer MEA und einem die MEA umschließenden und ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch aufweisenden Rahmen; und Abscheiderpaare, bei den jeweils ein Metallabscheider A und ein Metallabscheider B, die jeweils einen gewellten und Kanäle bildenden zentralen Abschnitt sowie einen den zentralen Abschnitt umschließenden Außenumfangsabschnitt aufweisen, derart gegenüberliegend gestellt sind, dass die Außenumfangsabschnitte miteinander in Berührung zu bringen, und der Metallabscheider A und der Metallabscheider B ein am Außenumfangsabschnitt angeordnetes Kühlmittel-verteilerloch und auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts angeordnete Kühlmitteldichtelemente aufweisen; aufeinander gestapelt sind, wobei der Rahmen die Kühlmitteldichtelemente aufnehmende Vertiefungen aufweist, das Abscheiderpaar aus gegenüberliegenden Flächen der zentralen Abschnitte von den Metallabscheidern A und B bestehende Kühlmittelkanäle und einen die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelzuführ-verteilerloch verbindenden Kühlmitteleinlasskanal aufweist, ein oberer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Einlassnut A besteht, die auf einer gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnittes des Metallabscheiders A ausgebildet ist und mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch in Verbindung steht, ein unterer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Einlassnut B besteht, die auf einer gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders B ausgebildet ist und mit dem zentralen Abschnitt in Verbindung steht, ein auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders A angeordnetes Kühlmitteldichtelement A, das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und die Nut A umschließen, und ein auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders B angeordnetes Kühlmitteldichtelement B das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch umschließen.A fuel cell stack in which the frame-integrated MEAs each having an MEA and a frame enclosing the MEA and having a coolant supply manifold hole; and pairs of separators, in each of which a metal separator A and a metal separator B, each having a corrugated and channel-forming central portion and an outer peripheral portion surrounding the central portion, are placed opposite one another in such a way that the outer peripheral portions are brought into contact with one another, and the metal separator A and the metal separator B has a coolant distributing hole located on the outer peripheral portion and coolant sealing members located on the rear side of the contact area of the outer peripheral portion; are stacked on top of one another, wherein the frame has the coolant sealing elements receiving recesses, the pair of separators comprising opposite surfaces of the central sections of the metal separators A and B existing coolant channels and the coolant channels and the coolant supply distribution hole connecting the coolant inlet channel, an upper part of the coolant inlet channel from an inlet groove A, which is formed on an opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator A and communicates with the coolant supply manifold hole, a lower part of the coolant inlet passage consists of an inlet groove B which is formed on an opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator B and with communicating with the central portion, a coolant sealing member A disposed on the rear side of the contact area of the outer peripheral portion of the metal separator A, the coolant supply r-manifold hole and the groove A surround, and a coolant sealing member B disposed on the back of the contact area of the outer peripheral portion of the metal separator B surround the coolant supply manifold hole.

Description

Gebiet der TechnikField of engineering

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polymerelektrolytbrennstoffzellenstapel und ein Abscheiderpaar für den Polymerelektrolytbrennstoffzellenstapel. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere durch Struktur von Kühlmitteleinlasskanälen, Kühlmittelausstoßkanälen und Kühlmitteldichtelementen für dünnere Strukturierung von Polymerelektrolytbrennstoffzellen gekennzeichnet.The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack and a separator pair for the polymer electrolyte fuel cell stack. The present invention is characterized in particular by the structure of coolant inlet channels, coolant discharge channels and coolant sealing elements for thinner structuring of polymer electrolyte fuel cells.

Stand der TechnikState of the art

Ein Polymerelektrolytbrennstoffzellenstapel (im folgenden auch einfach als „Brennstoffzellenstapel” bezeichnet) weist ein Zellenlaminat auf, bei dem man mehrere Einzelzellen gestapelt und in Reihe anordnet. Jede Einzelzelle besteht aus einer Membran-Elektrodeneinheit (membrane electrode assembly; im folgenden auch als „MEA” bezeichnet) und ein Paar von beideseits an der Membran-Elektrodeneinheit angeordneten Abscheidern. Die MEA weist eine Polymerelektrolytmembran und ein Paar von beideseits an der Polymerelektrolytmembran angeordneten Katalysatorelektroden (Anode und Kathode) auf. Der Abscheider weist Gaskanäle zur Brenn- oder Oxidationsgaszufuhr auf. Des weiteren weist er Kühlmittelkanäle auf, durch die das Kühlmittel zur Kontrolle der Temperatur von Brennstoffzellenstapel im Betrieb strömt.A polymer electrolyte fuel cell stack (hereinafter also referred to simply as "fuel cell stack") comprises a cell laminate in which a plurality of single cells are stacked and arranged in series. Each individual cell consists of a membrane electrode assembly (also referred to as "MEA" hereinafter) and a pair of separators both disposed on the membrane electrode assembly. The MEA has a polymer electrolyte membrane and a pair of both catalyst electrodes (anode and cathode) disposed on the polymer electrolyte membrane. The separator has gas channels for combustion or oxidation gas supply. Furthermore, it has coolant channels through which the coolant flows to control the temperature of the fuel cell stack during operation.

Im Brennstoffzellenstapel wird ein Druck in Laminierungsrichtung ausgeübt, um Abdichtung von Fluid (Reaktionsgas oder Kühlmittel) zwischen Zellen sicherzustellen und Durchgangswiderstand zwischen Zellen zu vermindern.In the fuel cell stack, pressure is applied in the lamination direction to ensure sealing of fluid (reaction gas or refrigerant) between cells and to decrease volume resistance between cells.

Wie oben beschieben, weist der Abscheider die Kanäle zur Strömung von Reaktionsgas (Brenn- oder Oxidationsgas) oder Kühlmittel auf. Das Brenn- und Oxidationsgas sowie Kühlmittel sollen sich in voneinander unabhängigen Kanälen durchlaufen lassen, so weist der Brennstoffzellenstapel Dichtelemente zur Abdichtung der Bereiche zwischen jeweiligen zwei Kanälen auf (vgl. z. B. Patentdokument 1).As described above, the separator has the channels for the flow of reaction gas (fuel or oxidizing gas) or coolant. The combustion and oxidizing gas and coolant should be able to pass through channels that are independent of each other, so the fuel cell stack has sealing elements for sealing the areas between respective two channels (cf., for example, Patent Document 1).

1 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht von einem im Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellenstapel 1. Beim Brennstoffzellenstapel 1 werden, wie in 1 dargestellt, die Brennstoffeinzelzellen 2, bestehend jeweils aus einer aus einer MEA und einem einen Aussenumfang der MEA umschließenden Rahmen bestehenden, mit Rahmen integrierten MEA 14 sowie einem Paar von Abscheidern (Anodenabscheider 15A und Kathodenabscheider 15B) zwischen den die mit Rahmen integrierte MEA eingelegt ist, aufeinander gestapelt. Die Abscheider, welche ein Brennstoffzellenstapel 1 gemäß Patentdokument 1 besitzt, sind Metallabscheider, die hergestellt sind, indem die Metallblechen mittels Pressverarbeitung gewellt sind. 1 FIG. 10 is a perspective exploded view of a fuel cell stack 1 disclosed in Patent Document 1. In the fuel cell stack 1, as shown in FIG 1 1, the fuel cell cells 2, each consisting of a frame-integrated MEA consisting of an MEA and a frame enclosing an outer circumference of the MEA 14 and a pair of separators (anode separator 15A and cathode separator 15B ) between which the frame-integrated MEA is inserted stacked on top of each other. The separators having a fuel cell stack 1 according to Patent Document 1 are metal separators manufactured by corrugating the metal sheets by press working.

2A zeigt eine erweiterte Ansicht einer rückseitigen Fläche der einer mit Rahmen integrierten MEA 14 gegenüberliegenden Fläche vom Anodenabscheider 15A. Der Anodenabscheider 15A hat wie in 2A dargestellt einen zentralen Abschnitt 41, auf dem Kanäle ausgebildet sind, sowie einen den zentralen Abschnitt 41 umschließenden Aussenumfangsabschnitt 43. Der Außenumfangsabschnitt 43 besitzt ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 22, das das Kühlmittel durchläuft, und einen Kühlmitteleinlasskanal 51, der das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 22 und Kühlmittelkanäle verbindet. Ferner weist der Anodenabscheider 15A Dichtelemente 28B auf, um zu verhindern, dass das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlasskanal 51 nach außen ausläuft. 2A shows an expanded view of a back surface of a frame integrated MEA 14 opposite surface of the Anodenabscheider 15A , The anode separator 15A has like in 2A represented a central section 41 on which channels are formed, as well as the central portion 41 enclosing outer peripheral portion 43 , The outer peripheral portion 43 has a coolant supply manifold hole 22 passing through the coolant and a coolant inlet channel 51 that the coolant supply manifold hole 22 and coolant channels connects. Furthermore, the anode separator 15A sealing elements 28B on to prevent the coolant from the coolant inlet duct 51 leaking to the outside.

2B zeigt eine erweiterte Ansicht der mit Rahmen integrierten MEA 14 gegenüberliegenden Fläche vom Kathodenabscheider 15B. Der Kathodenabscheider 15B hat ebenfalls wie in 2B dargestellt einen zentralen Abschnitt 41, auf dem Kanäle ausgebildet sind, sowie einen den zentralen Abschnitt 41 umschließenden Aussenumfangsabschnitt 43. Der Außenumfangsabschnitt 43 besitzt ein Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 23, das das Oxidationsgas durchläuft, und einen Oxidationsgaseinlasskanal 61, der das Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 23 und Oxidationsgaskanäle verbindet. Ferner weist der Kathodenabscheider 15B ein Dichtelement 28C auf, um zu verhindern, dass das Oxidationsgas vom Oxidationsgaseinlasskanal 61 nach außen ausläuft. 2 B shows an expanded view of the frame integrated MEA 14 opposite surface of the cathode 15B , The cathode separator 15B also has like in 2 B represented a central section 41 on which channels are formed, as well as the central portion 41 enclosing outer peripheral portion 43 , The outer peripheral portion 43 has an oxidizing gas supply manifold hole 23 passing through the oxidizing gas and an oxidizing gas inlet channel 61 containing the oxidizing gas supply manifold hole 23 and connecting oxidation gas channels. Furthermore, the cathode separator 15B a sealing element 28C to prevent the oxidizing gas from the oxidizing gas inlet channel 61 leaking to the outside.

3A zeigt einen im Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellenstapel 1 in Querschnitt entlang der Linie A-A in 2A und 2B. Im Brennstoffzellenstapel 1 sind wie in 3A dargestellt Dichtelemente (27, 28B) zwischen den aneinander anliegenden Außenumfangsabschnitten vom Anodenabscheider 15A und Kathodenabscheider 15B angeordnet. Beim Brennstoffzellenstapel 1 stehen daher die aneinander anliegenden Außenumfangsabschnitte vom Anodenabscheider 15A und Kathodenabscheider 15B nicht unmittelbar miteinander in Berührung. 3A shows a disclosed in Patent Document 1 fuel cell stack 1 in cross section along the line AA in 2A and 2 B , In the fuel cell stack 1 are as in 3A illustrated sealing elements ( 27 . 28B ) between the abutting outer peripheral portions of the anode separator 15A and cathode separator 15B arranged. In the case of the fuel cell stack 1, therefore, the adjoining outer peripheral sections are located on the anode separator 15A and cathode separator 15B not in direct contact with each other.

Des weiteren ist ein konkaves und konvexes Profil (31, 32) an jedem der Außenumfangsabschnitte von den Abscheidern vorgesehen, um bei Ausübung von Druck in Laminierungsrichtung (im folgenden auch einfach als „Spanndruck” bezeichnet) ein Verdrehen des Abscheiders zu verhindern.Furthermore, a concave and convex profile ( 31 . 32 ) on each of the outer peripheral portions of the separators to prevent twisting of the separator upon application of pressure in the lamination direction (hereinafter also referred to simply as "clamping pressure").

Wenn die Außenumfangsabschnitte der Abscheider nicht ein konkaves und konvexes Profil (31, 32) aufweisen, sind wie in 3B dargestellt die Abscheider bei Ausübung von Spanndruck verdreht, so dass der Kühlmitteleinlasskanal 51, Oxidationsgaseinlasskanal 61 oder dergleichen verschlossen werden kann.If the outer peripheral sections of the separators are not a concave and convex profile ( 31 . 32 ) are as in 3B shown the separator turned upon exercise of clamping pressure, so that the coolant inlet channel 51 , Oxidation gas inlet channel 61 or the like can be closed.

Es ist außerdem ein bekannter Stand der Technik, im Inneren eines Abscheiders die Reaktionsgasverteiler und die Reaktionsgaskanäle verbindende Kanäle auszubilden (s. z. B. Patentdokumente 2 und 3) oder zwischen am Außenumfangsabschnitt eines Abscheiders vorgesehenen Bereichen mit Höhendifferenz Dichtelemente vorzusehen (s. z. B. Patentdokumente 4 und 5), um Dicke in Laminierungsrichtung einzuschränken und zugleich ein Auslaufen von Reaktionsgas durch einen Raum zwischen einer MEA und einem Abscheider zu verhindern.It is also a known state of the art to form channels connecting reaction gas distributors and reaction gas channels inside a separator (see, for example, Patent Documents 2 and 3) or to provide sealing elements between height-difference regions provided on the outer peripheral portion of a separator (see, for example, Patent Documents 4 and 5) ) to restrict thickness in the lamination direction while preventing leakage of reaction gas through a space between an MEA and a separator.

Es ist ebenfalls ein bekannter Stand der Technik, an Vertiefungen, die an einer der MEA gegenüberliegenden Fläche von einem Kathodenabscheider vorgesehen sind, Dichtelemente anzuordnen (s. z. B. Patentdokumente 6 und 7), um durch die Dichtelemente ein Verdrehen der MEA zu verhindern.It is also known in the art to place sealing elements on recesses provided on a surface opposite the MEA from a cathode separator (see, for example, Patent Documents 6 and 7) in order to prevent the MEA from twisting through the sealing elements.

Liste der AnführungenList of quotations

Patentliteraturpatent literature

  • Patentdokument 1: Offenlegung der jap. Patentanmeldung JPA-2006-147258 Patent Document 1: Disclosure of the Japanese Patent Application JPA 2006-147258
  • Patentdokument 2: Offenlegung der jap. Patentanmeldung JPA-2003-197221 Patent Document 2: Disclosure of the Japanese Patent Application JPA 2003-197221
  • Patentdokument 3: Offenlegung der US-Patentanmeldung USA-2005-0238942Patent Document 3: Disclosure of US Patent Application US-2005-0238942
  • Patentdokument 4: Offenlegung der jap. Patentanmeldung JPA-2004-63094 Patent Document 4: Disclosure of the Japanese Patent Application JPA-2004-63094
  • Patentdokument 5: Offenlegung der US-Patentanmeldung USA-2005-0089745Patent Document 5: Disclosure of US Patent Application US-2005-0089745
  • Patentdokument 6: Offenlegung der jap. Patentanmeldung JPA-2007-329125 Patent Document 6: Disclosure of the Japanese Patent Application JPA 2007-329125
  • Patentdokument 7: Offenlegung der US-Patentanmeldung USA-2007-0275288Patent Document 7: Disclosure of US Patent Application US-2007-0275288

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Technische AufgabeTechnical task

Was jedoch den im Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellenstapel 1 betrifft, wobei die Dichtelemente jeweils zwischen den aneinander anliegenden Abscheidern angeordnet sind, verursacht das Spanndruck ein leichtes Verdrehen der Abscheider, wenn auch ein konkaves und konvexes Profil zur Verhinderung von Verdrehen vorgesehen ist. Wenn die Abscheider verdreht sind, nimmt die Dichtungszuverlässigkeit ab, so dass das Reaktionsgas oder Kühlmittel nach außen auslaufen kann.However, with respect to the fuel cell stack 1 disclosed in Patent Document 1, wherein the sealing members are respectively disposed between the abutting separators, the clamping pressure causes the separators to rotate slightly, though a concave and convex profile is provided to prevent twisting. When the separators are twisted, the seal reliability decreases so that the reaction gas or refrigerant may leak to the outside.

Ferner wenn wie beim im Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellenstapel 1 die einen Kühlmittel- oder Reaktionsgaseinlasskanal bildenden Außenumfangsabschnitte ein konkaves und konvexes Profil zur Verhinderung von Verdrehen aufweisen, wird der Druckverlust am Kühlmittel- oder Reaktionsgaseinlasskanal erhöht, so dass es Möglichkeit gibt, Zufuhr von ausreichender Menge von Fluid zu den Kühlmittel- oder Reaktionsgaskanälen auszuschließen.Further, as in the fuel cell stack 1 disclosed in Patent Document 1, when the outer peripheral portions forming a coolant or reaction gas inlet channel have a concave and convex profile for preventing twisting, the pressure loss at the coolant or reaction gas inlet channel is increased, so that there is a possibility of supplying sufficient amount of Exclude fluid to the coolant or reaction gas channels.

Um diese Aufgabe zu lösen, ist es denkbar, die Außenumfangsabschnitte der aneinander anliegenden Abscheider miteinander in Berührung zu bringen, ohne zwischen den aneinander anliegenden Abscheidern Dichtelemente anzuordnen (s. 4 und 5).In order to achieve this object, it is conceivable to bring the outer circumferential sections of the adjoining separators into contact with one another, without arranging sealing elements between the adjoining precipitators (see FIG. 4 and 5 ).

4 zeigt perspektivische Ansicht von einem Abscheider 130A und einem Abscheider 130B, die aneinander in einem Brennstoffzellenstapel anliegen. Sowohl der Abscheider 130A als auch der Abscheider 130B weisen jeweils an einem Außenumfangsabschnitt 133 ein Brenngaszuführ-Verteilerloch 110, ein Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 112, ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114, ein Brenngasausstoß-Verteilerloch 111, ein Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch 113 und ein Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 auf. 4 shows perspective view of a separator 130A and a separator 130B which abut each other in a fuel cell stack. Both the separator 130A as well as the separator 130B each have an outer peripheral portion 133 a fuel gas supply manifold hole 110 , an oxidizing gas supply manifold hole 112 a coolant supply manifold hole 114 , a fuel gas ejection manifold hole 111 , an oxidizing gas ejection manifold hole 113 and a coolant discharge manifold hole 115 on.

Bei dem in 4 dargestellten Brennstoffzellenstapel ist ein Abscheiderpaar 140 aufgebaut, indem sich die Außenumfangsabschnitte der aneinander anliegenden Abscheider 130A und 130B deart gegenüberliegen lassen, dass sie miteinander in Berührung stehen.At the in 4 shown fuel cell stack is a separator pair 140 constructed by the outer peripheral portions of the adjoining separator 130A and 130B Let deart face that they are in contact with each other.

Ferner hat der Außenumfangsabschnitt 133A an der dem Abscheider 130B gegenüberliegenden Fläche (im folgenden auch einfach als „gegenüberliegende Flüche” bezeichnet) des Abscheiders 130A Kühlmitteleinlasskanäle 143, die einen zentralen Abschnitt 131A und das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 verbinden, sowie Kühlmittelausstoßkanäle 145, die einen zentralen Abschnitt 131 und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 verbinden (s. 5 und 6). Andererseits ist der Außenumfangsabschnitt 133A flach ohne Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle.Further, the outer peripheral portion 133A at the separator 130B opposite surface (hereinafter also simply referred to as "opposite curses") of the separator 130A Coolant inlet channels 143 that have a central section 131A and the coolant supply manifold hole 114 connect, as well as coolant discharge channels 145 that have a central section 131 and the coolant ejection manifold hole 115 connect (s. 5 and 6 ). On the other hand, the outer peripheral portion 133A flat without coolant inlet and coolant discharge channels.

Der Abscheider 130A besitzt an der rückseitige Fläche der gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts 133A (im folgenden auch einfach als „rückseitige Fläche” bezeichnet) das Brenngaszuführ-Verteilerloch 110 und Brenngasausstoß-Verteilerloch 111 umschließende Brenngasdichtelemente 153A, das Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 112 und Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch 113 umschließende Oxidationsgasdichtelemente 155A sowie das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 und Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 umschließende Kühlmitteldichtelemente 157A.The separator 130A has on the back surface of the opposite surface of the outer peripheral portion 133A (hereinafter also referred to simply as "back surface") the fuel gas supply manifold hole 110 and fuel gas ejection manifold hole 111 enclosing fuel gas sealing elements 153A , the oxidizing gas supply manifold hole 112 and oxidizing gas ejection manifold hole 113 enclosing oxidizing gas sealing elements 155A and the coolant supply manifold hole 114 and Coolant discharge manifold hole 115 enclosing coolant sealing elements 157A ,

Andererseits weisen die Abscheider 130A und 130B jeweils an der gegenüberliegenden Seite kein Dichtelement auf. Des weiteren stehen in 4 die Außenumfangsabschnitte 133 der Abscheider 130A und 130B miteinander in Berührung. Andererseits stehen die Abscheider 130A und 130B an den Kühlmitteleinlasskanälen 143 und den Kühlmittelausstoßkanälen 145 nicht miteinander in Berührung, um einen Kühlmittelzufluss zu gewährleisten.On the other hand, the separator 130A and 130B each on the opposite side no sealing element. Furthermore, stand in 4 the outer peripheral sections 133 the separator 130A and 130B in contact with each other. On the other hand, there are the separators 130A and 130B at the coolant inlet channels 143 and the coolant discharge channels 145 not in contact with each other to ensure coolant flow.

Auf diese Weise kann man ein Verdrehen von Abscheidern und eine Verminderung von Abdichtungszuverlässigkeit, welche durch Spanndruck verursacht sind, verhindern, indem man die Außenumfangsabschnitte der Abscheider 130A und 130B miteinander in Berührung bringen.In this way, one can prevent twisting of separators and a reduction of sealing reliability, which are caused by clamping pressure, by the outer peripheral portions of the separator 130A and 130B contact each other.

Ferner besitzt die rückseitige Fläche des Außenumfangsabschnitts 133A des Abscheiders 130A einen rückseitigen Bereich Y (im folgenden auch als „niedrige Fläche Y” bezeichnet) eines Bereichs zur Berührung der gegenüberliegenden Flächen der Abscheider 130A und 130B (im folgenden auch einfach als „Berührungsbereich” bezeichnet), sowie einen im Vergleich zur niedrigen Fläche Y erhöhten Bereich X (im folgenden auch einfach als „hohe Fläche X” bezeichnet). Die hohe Fläche X ist eine zur rückseitigen Fläche von den Kühlmitteleinlasskanälen 143 und den Kühlmittelausstoßkanälen 145 bildende Fläche. Mit anderen Worten, bedeutet die hohe Fläche X eine vom Berührungsbereich entfernte Fläche.Further, the rear surface of the outer peripheral portion has 133A of the separator 130A a rear area Y (hereinafter also referred to as "low area Y") of a region for contacting the opposing surfaces of the separators 130A and 130B (hereinafter also simply referred to as "touch area") and an area X increased in comparison with the low area Y (hereinafter also referred to simply as "high area X"). The high area X is one to the back surface of the coolant inlet passages 143 and the coolant discharge channels 145 forming surface. In other words, the high area X means an area remote from the touch area.

Im in 4 dargestellten Abscheider 130A, ist das Kühlmitteldichtelement 157A an der hohen Fläche X angeordnet.Im in 4 shown separator 130A , is the coolant sealing element 157A arranged on the high surface X.

Wenn man jedoch das in 4 dargestellte Abscheiderpaar 140 anwendet, vergrößert sich der Brennstoffzellenstapel in Laminierungsrichtung von Zellen, was eine Verkleinerung vom Brennstoffzellenstapel erschwert. Im folgenden ist es unter Bezugsnahme auf 5 und 6 erläutert, warum die Verkleierung vom Brennstoffzellenstapel im in 4 dargestellten Abscheiderpaar 140 schwierig ist.But if you do that in 4 illustrated separator pair 140 applies, the fuel cell stack increases in the direction of lamination of cells, which complicates a reduction of the fuel cell stack. In the following it is under reference to 5 and 6 explains why the fouling of the fuel cell stack in the 4 illustrated separator pair 140 difficult.

5 zeigt einen in 4 dargestellte Abscheiderpaare 140 aufweisenden Brennstoffzellenstapel in Querschnitt entlang der Linie β in 4, und 6 einen in 4 dargestellte Abscheiderpaare 140 aufweisenden Brennstoffzellenstapel in Querschnitt entlang der Linie γ in 4. 5 shows an in 4 illustrated separator pairs 140 in fuel cell stack in cross section along the line β in 4 , and 6 one in 4 illustrated separator pairs 140 in fuel cell stack in cross section along the line γ in 4 ,

Beim in 5 und 6 dargestellten Brennstoffzellenstapel sind die mit Rahmen integrierten MEAs 120 und die Abscheiderpaare 140, bei den man jeweils zwei Abscheider (Abscheider 130A und Abscheider 130B) derart gegenüberliegend anordnet, dass ihre Außenumfangsabschnitte miteinander in Berührung stehen, aufeinander gestapelt.When in 5 and 6 The illustrated fuel cell stacks are the frame integrated MEAs 120 and the separator pairs 140 , in each of which two separators (separator 130A and separators 130B ) arranged opposite each other so that their outer peripheral portions are in contact with each other, stacked on each other.

Eine mit Rahmen integrierte MEA 120 weist eine MEA 121 und einen die MEA 121 umschließenden Rahmen 123 auf. Der Rahmen 123 hat die Dichtelemente 157 festhaltende Vertiefungen 124.A frame integrated MEA 120 has an MEA 121 and one the MEA 121 enclosing frame 123 on. The frame 123 has the sealing elements 157 retaining depressions 124 ,

Ein Abscheiderpaar 140 weist wie in 5 und 6 dargestellt Kühlmitteleinlasskanäle 143 auf, die die Kühlmittelkanäle 141 und das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 verbinden.A separator pair 140 points as in 5 and 6 illustrated coolant inlet channels 143 on that the coolant channels 141 and the coolant supply manifold hole 114 connect.

Des weiteren sind die Dichtelemente 157A auf der hohen Fläche X ausgebildet. Wenn die Dichtelemente auf diese Weise auf der hohen Fläche X angeordnet sind, kann die Dicke T1 von einem Abscheiderpaar 140 einschließlich der Dichtelemente nicht kleiner sein, als die Summe aus der Tiefe der Kühlmitteleinlasskanäle 143 und der Dicke der Dichtelemente 157.Furthermore, the sealing elements 157A formed on the high surface X. If the sealing elements are arranged in this way on the high surface X, the thickness T1 of a separator pair 140 including the sealing elements should not be smaller than the sum of the depth of the coolant inlet channels 143 and the thickness of the sealing elements 157 ,

Wenn die Dichtelemente 157A ferner auf diese Weise auf der hohen Fläche X angeordnet sind, ist es notwendig, den Rahmen der mit Rahmen integrierten MEA 120 dick auszuführen. Wenn die Dichtelemente 157A wie in 5 und 6 dargestellt auf der hohen Fläche X angeordnet sind, ist die Dicke vom Rahmen 123 am Bereich 122, bei dem die die Dichtelemente 157 aufnehmenden Vertiefungen 124 vorgesehen sind (im folgenden auch als „der dünnste Abschnitt” bezeichnet), am dünnsten.When the sealing elements 157A Furthermore, in this way, on the high surface X, it is necessary to frame the integrated MEA 120 to perform thick. When the sealing elements 157A as in 5 and 6 are arranged on the high surface X, the thickness of the frame 123 at the area 122 in which the the sealing elements 157 receiving depressions 124 are provided (hereinafter also referred to as "the thinnest portion"), the thinnest.

Der Rahmen 123 kann nur dann geformt sein, wenn er eine bestimmte Dicke oder mehr aufweist. Wenn der Werkstoff vom Rahmen 123 z. B. Polyphenylensulfid (PPS) ist, kann man schwerlich ihn dünner als 0,5 mm ausführen. Die Dicke vom dünnsten Abschnitt 122 soll deshalb auf 0,5 mm oder mehr eingestellt sein. Die Dicke T2 von einem Rahmen 123 kann daher nicht kleiner sein, als die Summe aus der Tiefe von Kühlmitteleinlasskanälen 143, der Höhe der Dichtelemente und der Dicke vom dünnsten Abschnitt 122 (z. B. 0,5 mm).The frame 123 can be shaped only if it has a certain thickness or more. When the material is off the frame 123 z. As polyphenylene sulfide (PPS), it is difficult to make it thinner than 0.5 mm. The thickness of the thinnest section 122 should therefore be set to 0.5 mm or more. The thickness T2 of a frame 123 Therefore, it can not be smaller than the sum of the depth of coolant inlet channels 143 , the height of the sealing elements and the thickness of the thinnest section 122 (eg 0.5 mm).

Ferner kann ein solcher Kühlmitteleinlasskanal 143 durch die Dichtelemente flachgedrückt sein, so dass es erförderlich ist, ihn mit konvavem und konvexem Profil 31 zu verstärken. In einem in 4 bis 6 offenbarten Abscheiderpaar 140 bleibt daher ein Problem von erhöhtem Druckverlust am Kühlmitteleinlasskanal 143 wegen konvaven und konvexen Profils 31 unlösbar.Furthermore, such a coolant inlet channel 143 be flattened by the sealing elements, so that it is erfördlich him with konvavem and convex profile 31 to reinforce. In an in 4 to 6 disclosed separator pair 140 therefore remains a problem of increased pressure drop at the coolant inlet channel 143 because of concave and convex profile 31 unsolvable.

Da die auf diese Weise auf der hohen Fläche X angeordnten Dichtelemente 157A zu einer Erhöhung der Dicke T1 vom Abscheiderpaar 140 sowie der Dicke T2 vom Rahmen 123 führen, vergrößert sich der Brennstoffzellenstapel in Laminierungsrichtung von Zellen.Since arranged in this way on the high surface X sealing elements 157A to an increase in the thickness T1 of the separator pair 140 as well as the thickness T2 from the frame 123 lead, the fuel cell stack increases in lamination of cells.

Um diese Aufgabe zu lösen, ist es denkbar, die Kühlmitteldichtelemente 157A auf der niedrigen Fläche Y anzuordnen. Um jedoch das das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch umschließende Kühlmitteldichtelement 157A auf der niedrigen Fläche Y anzuordnen, ist eine Ausbildung einer die Kühlmitteleinlasskanäle 143 durchlaufenden niedrigen Fläche Y erförderlich. Wenn eine die Kühlmitteleinlasskanäle 143 durchlaufende niedrige Fläche Y auf einem in 4 bis 6 dargestellten Abscheiderpaar 140 ausgebildet ist, sind die Kühlmitteleinlasskanäle 143 verschlossen, so dass das Kühlmittel an die Kühlmittelkanäle 141 nicht einfließen kann. To solve this problem, it is conceivable that the coolant sealing elements 157A to arrange on the low surface Y. However, around the coolant supply manifold hole enclosing refrigerant seal element 157A On the low surface Y, one embodiment is one of the coolant inlet channels 143 passing through low area Y erförderlich. If one is the coolant inlet channels 143 continuous low area Y on a in 4 to 6 illustrated separator pair 140 is formed, the coolant inlet channels 143 closed, allowing the coolant to the coolant channels 141 can not flow.

Technische LösungTechnical solution

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen in Laminierungsrichtung von Zellen verkleinerbaren Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, wobei Kühlmitteldichtelemente auf der niedrigen Fläche Y angeordnet sind.

  • [1] Ein Brennstoffzellenstapel, in dem mit Rahmen integrierte MEAs mit jeweils einer MEA und einem die MEA umschließenden und ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch aufweisenden Rahmen; und Abscheiderpaare, bei den jeweils ein Metallabscheider A und ein Metallabscheider B, die jeweils einen gewellten und Kanäle bildenden zentralen Abschnitt sowie einen den zentralen Abschnitt umschließenden Außenumfangsabschnitt aufweisen, derart gegenüberliegend gestellt sind, dass die Außenumfangsabschnitte miteinander in Berührung zu bringen, und der Metallabscheider A und der Metallabscheider B ein am Außenumfangsabschnitt angeordnetes Kühlmittel-verteilerloch und auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts angeordnete Kühlmitteldichtelemente aufweisen; aufeinander gestapelt sind, wobei der Rahmen die Kühlmitteldichtelemente aufnehmende Vertiefungen aufweist, das Abscheiderpaar aus gegenüberliegenden Flächen der zentralen Abschnitte von den Metallabscheidern A und B bestehende Kühlmittelkanäle und einen die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelzuführ-verteilerloch verbindenden Kühlmitteleinlasskanal aufweist, ein oberer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Einlassnut A besteht, die auf einer gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnittes des Metallabscheiders A ausgebildet ist und mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch in Verbindung steht, ein unterer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Einlassnut B besteht, die auf einer gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders B ausgebildet ist und mit dem zentralen Abschnitt in Verbindung steht, ein auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders A angeordnetes Kühlmitteldichtelement A, das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und die Nut A umschließen, und ein auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders B angeordnetes Kühlmitteldichtelement B das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch umschließen.
  • [2] Der Brennstoffzellenstapel nach [1], wobei der vom Kühlmitteldichtelement A umgebene Bereich jenen einschließt, der vom Kühlmitteldichtelement B umgeben ist, und das Kühlmitteldichtelement A und das Kühlmitteldichtelement B sich nicht überlappen.
  • [3] Der Brennstoffzellenstapel nach [1] oder [2], wobei der Außenumfangsabschnitt ferner ein Kühlmittelausstoß-Verteilerloch aufweist, wobei das Abscheiderpaar ferner einen Kühlmittelausstoßkanal aufweist, der die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch verbindet, ein oberer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Auslassnut B besteht, die auf der gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitt des Metallabscheiders B ausgebildet ist und mit dem zentralen Abschnitt in Verbindung steht, und ein unterer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Auslassnut A besteht, die auf der gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders A ausgebildet ist und mit dem Metallabscheider A und Metallabscheider in Verbindung steht.
  • [4] Der Brennstoffzellenstapel nach einem von [1] bis [3], wobei der Metallabscheider A ein Anode-Abscheider ist und der Metallabscheider B ein Kathode-Abscheider ist.
The object of the present invention is to provide a fuel cell stack which can be made smaller in the lamination direction of cells, wherein coolant sealing elements are arranged on the low surface Y.
  • [1] A fuel cell stack in the frame-integrated MEAs each having an MEA and a frame including the MEA and having a coolant supply manifold hole; and separator pairs wherein each of a metal separator A and a metal separator B each having a corrugated and channel-forming central portion and an outer peripheral portion enclosing the central portion are opposed to each other so as to bring the outer peripheral portions into contact with each other, and the metal separator A and the metal separator B has a coolant distribution hole disposed on the outer peripheral portion and coolant seal members disposed on the back surface of the contacting portion of the outer peripheral portion; wherein the frame comprises the refrigerant seal receiving grooves, the separator pair of opposed surfaces of the central portions of the metal separators A and B having coolant channels and a coolant channels and the coolant supply manifold hole connecting coolant inlet channel, an upper part of the coolant inlet channel of an inlet groove A, which is formed on an opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator A and communicates with the coolant supply manifold hole, a lower part of the coolant inlet channel consists of an inlet groove B formed on an opposite surface of the outer peripheral portion of the Metallabscheiders B and communicating with the central portion, a refrigerant gasket disposed on the rear side of the contact portion of the outer peripheral portion of the metal separator A t A, the coolant supply manifold hole and the groove A enclose, and arranged on the back of the contact area of the outer peripheral portion of the metal separator B coolant seal B enclose the coolant supply manifold hole.
  • [2] The fuel cell stack according to [1], wherein the area surrounded by the coolant seal member A includes that surrounded by the coolant seal member B, and the coolant seal member A and the coolant seal member B do not overlap.
  • [3] The fuel cell stack according to [1] or [2], wherein the outer peripheral portion further includes a coolant ejection manifold hole, the separator pair further comprising a coolant ejection passage connecting the coolant channels and the coolant ejection manifold hole, an upper part of the coolant inlet passage from an exhaust groove B, which is formed on the opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator B and communicates with the central portion, and a lower part of the coolant inlet channel consists of an outlet groove A formed on the opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator A and the metal separator A and metal separator is in communication.
  • [4] The fuel cell stack according to any one of [1] to [3], wherein the metal separator A is an anode separator and the metal separator B is a cathode separator.

Vorteilhafte Wirkungen der ErfindungAdvantageous Effects of the Invention

Gemäß der Erfindung kann man die das Kühlmittel-Verteilerloch umschließende Kühlmitteldichtelemente auf der niedrigen Fläche anordnen, so dass man den Rahmen und die Abscheiderpaare dünn ausführen kann. Man kann daher erfindungsgemäß den Brennstoffzellenstapel in Laminierungsrichtung von Zellen verkleinern.According to the invention, it is possible to arrange the coolant sealing members enclosing the coolant distribution hole on the low surface, so that the frame and the separator pairs can be made thin. It is therefore possible according to the invention to downsize the fuel cell stack in the direction of lamination of cells.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels; 1 shows a perspective exploded view of a conventional fuel cell stack;

2A: eine Draufsicht eines herkömmlichen Metallabscheiders; 2A : A plan view of a conventional metal separator;

2B: eine Draufsicht eines herkömmlichen Metallabscheiders; 2 B : A plan view of a conventional metal separator;

3A: einen Querschnitt eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels; 3A a cross section of a conventional fuel cell stack;

3B: einen Querschnitt eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels; 3B a cross section of a conventional fuel cell stack;

4: eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Abscheiderpaars ohne Dichtelemente zwischen aneinander liegenden Abscheidern; 4 a perspective exploded view of a pair of separators without sealing elements between adjacent separators;

5: einen Querschnitt eines Brennstoffzellenstapels mit den in 4 offenbarten Abscheiderpaaren; 5 FIG. 2: a cross section of a fuel cell stack with the in 4 disclosed separator pairs;

6: einen Querschnitt eines Brennstoffzellenstapels mit den in 4 offenbarten Abscheiderpaaren; 6 FIG. 2: a cross section of a fuel cell stack with the in 4 disclosed separator pairs;

7: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels; 7 a perspective view of a fuel cell stack according to the invention;

8: einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels; 8th a cross section of the fuel cell stack according to the invention;

9: eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels; 9 a perspective exploded view of the fuel cell stack according to the invention;

10: eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines erfindungsgemäßen Abscheiderpaars; 10 a perspective exploded view of a pair of separators according to the invention;

11: eine perspektivische erweiterte Ansicht des erfindungsgemäßen Abscheiderpaars in der Nähe von einem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch; 11 FIG. 3 is an enlarged perspective view of the separator pair of the invention near a coolant supply manifold hole; FIG.

12: eine erweiterte Ansicht des erfindungsgemäßen Abscheiderpaars in Querschnitt; 12 : an expanded view of the separator pair according to the invention in cross section;

13: eine erweiterte Ansicht des erfindungsgemäßen Abscheiderpaars in Querschnitt; 13 : an expanded view of the separator pair according to the invention in cross section;

14: eine perspektivische erweiterte Ansicht des erfindungsgemäßen Abscheiderpaars in der Nähe von einem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch; 14 FIG. 3 is an enlarged perspective view of the separator pair of the invention near a coolant ejection manifold hole; FIG.

15: eine erweiterte Ansicht des erfindungsgemäßen Abscheiderpaars in Querschnitt; und 15 : an expanded view of the separator pair according to the invention in cross section; and

16: eine erweiterte Ansicht des erfindungsgemäßen Abscheiderpaars in Querschnitt. 16 : An expanded view of the separator according to the invention in cross section.

Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Polymerelektrolytbrennstoffzellen aufeinander gestapelt sind. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet, dass innovative Maßnahmen an Struktur von ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und Kühlmittelkanäle verbindenden Kühlmitteleinlasskanälen eine Verkleinerung des Brennstoffzellenstapels ermöglichen.The invention relates to a fuel cell stack, wherein the polymer electrolyte fuel cells are stacked on each other. The fuel cell stack according to the invention is characterized in that innovative measures on the structure of coolant inlet ducts connecting a coolant supply manifold hole and coolant ducts make it possible to reduce the size of the fuel cell stack.

Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel sind (1) mit Rahmen integrierte Membran-Elektrodeneinheiten (membrane electrode assembly; im folgenden auch einfach als „MEA” bezeichnet) und (2) Abscheiderpaare aufeinander gestapelt. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel kann zusätzlich Stromabnehmer- oder Endplatten aufweisen (s. 7).In the fuel cell stack of the present invention, (1) membrane electrode assembly (hereinafter also referred to simply as "MEA") frame-integrated membrane electrode assemblies are stacked, and (2) separator pairs are stacked on each other. The fuel cell stack according to the invention may additionally comprise pantograph or end plates (s. 7 ).

(1) mit Rahmen integrierte MEA(1) frame integrated MEA

Die mit Rahmen integrierte MEA besteht aus (a) einer MEA (Membran-Elektrodeneinheit) und (b) einem Rahmen.The frame integrated MEA consists of (a) an MEA (membrane electrode assembly) and (b) a frame.

a) MEA (Membran-Elektrodeneinheit)a) MEA (membrane electrode unit)

Die MEA weist eine Polymerelektrolytmembran und ein Paar von die Polymerelektrolytmembran einklemmenden Katalysatorelektroden. Die Katalysatorelektroden bestehen aus Anode und Kathode. Die Katalysatorelektrode weist vorzugsweise eine an der Polymerelektrolytmembran anliegende Katalysatorschicht und eine auf der Katalysatorschicht laminierte Gasdiffusionsschicht auf.The MEA has a polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane. The catalyst electrodes consist of anode and cathode. The catalyst electrode preferably has a catalyst layer adjacent to the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer laminated on the catalyst layer.

Die Polymerelektrolytmembran ist eine Polymermembran, welche die Funktion hat, im feuchten Zustand selektiv Protonen zu übertragen. Der Werkstoff der Polymerelektrolytmembran ist nicht besonders beschränkt, solange er selektiv Protonen übertragt. Beispielen dieser Werkstoffen umfassen Fluor oder Kohlenwasserstoff enthaltende Polymerelektrolytmembrane und dergleichen. Konkrete Beispiele der Fluor enthaltenden Polymerelektrolytmembran umfassen Nafion (eingetragene Marke) der Fa. Dupont, Flemion (eingetragene Marke) der Fa. Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (eingetragene Marke) der Fa. Asahi Kasei Co., GORE-SELECT (eingetragene Marke) der Fa. Japan Gore-Tex Inc. und dergleichen.The polymer electrolyte membrane is a polymer membrane which has the function of selectively transferring protons in the wet state. The material of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it selectively transmits protons. Examples of these materials include fluorine-containing or hydrocarbon-containing polymer electrolyte membranes and the like. Concrete examples of the fluorine-containing polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark) of Dupont, Flemion (registered trademark) of Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) of Asahi Kasei Co., GORE-SELECT (registered trademark). registered trademark) of Japan Gore-Tex Inc. and the like.

Die Katalysatorschicht ist eine Schicht umfassend einen die Redoxreaktion von Wasserstoff oder Sauerstoff beschleunigenden Katalysator. Die Katalysatorschicht ist nicht besonders beschränkt, wenn sie leitfähig ist und eine katalytische Aktivität aufweist, Redoxreaktion von Wasserstoff oder Sauerstoff zu beschleunigen. Die Katalysatorschicht auf der Kathode-seite enthält z. B. Platin, eine Platin-Kobalt-Legierung, eine Platin-Nickel-Kobalt-Legierung oder dergleichen als Katalysator. Die Katalysatorschicht auf der Anode-seite enthält Platin oder eine Platin-Ruthenium-Legierung oder dergleichen als Katalysator.The catalyst layer is a layer comprising a catalyst which promotes the redox reaction of hydrogen or oxygen. The catalyst layer is not particularly limited if it is conductive and has a catalytic activity to accelerate redox reaction of hydrogen or oxygen. The catalyst layer on the cathode side contains z. As platinum, a platinum-cobalt alloy, a platinum-nickel-cobalt alloy or the like as a catalyst. The catalyst layer on the anode side contains platinum or a platinum-ruthenium alloy or the like as a catalyst.

Die Katalysatorschicht ist z. B. hergestellt, indem ein protonenleitfähiger Elektrolyt und ein wasserabweisendes Harz wie PTFE mit Kohlepartikeln wie Acetylenruss, Ketjenblack oder Vulcan, auf den ein der obengenannten Katalysator getragen ist, gemischt sind, und die Mischung auf die Polymerelektrolytmembran aufgebracht ist. The catalyst layer is z. Example, prepared by a proton-conductive electrolyte and a water-repellent resin such as PTFE with carbon particles such as acetylene black, Ketjenblack or Vulcan, on which one of the above catalyst is supported, mixed, and the mixture is applied to the polymer electrolyte membrane.

Die Gasdiffusionsschicht ist auf der Katalysatorschicht angeordnet, und weist Luftdurchlässigkeit für Brennstoff- oder Oxidationsgas und Elektronenleitfähigkeit auf. Die Gasdiffusionsschicht kann sowohl ein gewebter oder nichtgewebter Stoff aus Kohlefasern als auch ein poröses Blatt aus Kohlenstoffpartikel und Bindemittel. Nuten, die Reaktionsgaskanäle zum Durchlauf des an die Katalysatorschicht zuzuführenden Reaktionsgases bilden, können auch auf der Gasdiffusionsschicht ausgebildet sein.The gas diffusion layer is disposed on the catalyst layer, and has air permeability to fuel or oxidizing gas and electron conductivity. The gas diffusion layer may be a carbon fiber woven or non-woven fabric as well as a carbon particle and binder porous sheet. Grooves forming reaction gas passages for passing the reaction gas to be supplied to the catalyst layer may also be formed on the gas diffusion layer.

b) Rahmenb) frame

Der Rahmen ist ein Element zum Umschließen des Außenumfangs der MEA und Festhalten der MEA. Der Rahmen nimmt die MEA derart auf, dass die Katalysatorelektrode mit dem Abscheider in Berührung stehen kann.The frame is an element for enclosing the outer periphery of the MEA and holding the MEA. The frame receives the MEA such that the catalyst electrode can be in contact with the separator.

Der Rahmen ist vorzugsweise hitze- und säurebeständig, und besteht üblicherweise aus Harz. Beispielen der Werkstoffen von solchen Rahmen umfassen Polypropylen, Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylenglykol und dergleichen.The frame is preferably heat and acid resistant, and is usually made of resin. Examples of the materials of such frames include polypropylene, polyphenylene sulfide (PPS), polypropylene glycol, and the like.

Der Rahmen weist ein Brenngaszuführ-Verteilerloch zur Brenngaszufuhr, ein Brenngasausstoß-Verteilerloch zum Ausstoßen von Brenngas, ein Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch zur Oxidationsgaszufuhr, ein Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch zum Ausstoßen von Oxidationsgas, ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch zur Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelausstoß-Verteilerloch zum Ausstoßen von Kühlmittel auf.The frame has a fuel gas supply manifold for fuel gas supply, a fuel gas exhaust manifold for ejecting fuel gas, an oxidant gas supply manifold for oxidant gas, an oxidant gas ejection manifold for ejecting oxidant gas, a coolant supply manifold for coolant supply, and a coolant ejection manifold for ejecting coolant ,

Der Rahmen weist zusätzlich Vertiefungen zur Aufnahme von an den nachfolgend zu beschreibenden Abscheidern vorgesehenen Dichtelementen auf (s. 12, Bezugszeichen 124). Der Rahmen hat Vertiefungen zur Aufnahme von den Dichtelementen, so dass bei ihrer Laminierung die mit Rahmen integrierten MEA und das Abscheiderpaar leichter positioniert sein können.The frame additionally has recesses for receiving sealing elements provided on the separators to be described below (see FIG. 12 , Reference number 124 ). The frame has recesses for receiving the sealing elements so that when laminated, the frame integrated MEA and separator pair may be more easily positioned.

Der Rahmen kann auch hergestellt sein, indem 1) eine Gussform mit in Form von Rahmen geformten Kavitäten bereitgestellt ist, und 2) der Werkstoff für Rahmen wie oben genannt gefüllt, gekühlt und erhärtet ist.The frame can also be made by 1) providing a mold with cavity shaped cavities, and 2) filling, cooling and hardening the material for frames as mentioned above.

(2) Abscheiderpaar(2) separator pair

Das Abscheiderpaar weist zwei Abscheider (Abscheider A und B) auf. Einer der Abscheider A und B ist ein Anode-Abscheider, und der andere ein Kathode-Abscheider. Erfindungsgemäß kann der Abscheider A ein Anode-Abscheider sein, und der Abscheider B ein Kathode-Abscheider; kann auch der Abscheider A ein Kathode-Abscheider sein, und der Abscheider B ein Brnnstoffelektroden-Abscheider.The separator pair has two separators (separators A and B). One of the separators A and B is an anode separator, and the other is a cathode separator. According to the invention, the separator A may be an anode separator and the separator B a cathode separator; can also be the separator A is a cathode separator, and the separator B a Brnnstoffelektroden-separator.

Die Abscheider sind ein Metallabscheider, die jeweils durch Wellung des Metallblechs hergestellt sind. Die Abscheider A und B weisen jeweils einen zentralen Abschnitt, einen Außenumfangsabschnitt und Dichtelemente auf.The separators are a metal separator, each made by corrugation of the metal sheet. The separators A and B each have a central portion, an outer peripheral portion and sealing elements.

Der zentrale Abschnitt ist ein Bereich zur Ausbildung von Reaktionsgas- und Kühlmittelkanälen. Ferner können ein Abschnitt zur Reaktionsgasverteilung sowie jener zur Kühlmittelverteilung auf ihm ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist es möglich, sowohl die zentralen Abschnitte der beiden Abscheider A und B zu wellen (s. Ausführungsform 1 in 8), als auch den zentralen Abschnitt eines der Abscheider A und B allein zu wellen und den anderen flach auszuführen. Wenn der zentrale Abschnitt eines der Abscheider A und B allein gewellt ist, sind die Reaktionsgaskanäle bildenden Nuten auf der Gasdiffusionsschicht ausgebildet.The central section is an area for forming reaction gas and coolant channels. Further, a portion for reaction gas distribution and that for the coolant distribution may be formed on it. According to the invention, it is possible to wave both the central sections of the two separators A and B (see embodiment 1 in FIG 8th ), as well as to wave the central portion of one of the separators A and B alone and make the other flat. When the central portion of one of the separators A and B alone is corrugated, the reaction gas channel forming grooves are formed on the gas diffusion layer.

Der Außenumfangsabschnitt ist ein Bereich, der den Rand des Abscheiders umfasst und den zentralen Abschnitt umschließt. Der Außenumfangsabschnitt weist ein Brenngaszuführ-Verteilerloch zur Brenngaszufuhr, ein Brenngasausstoß-Verteilerloch zum Ausstoßen von Brenngas, ein Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch zur Oxidationsgaszufuhr, ein Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch zum Ausstoßen von Oxidationsgas, ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch zur Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelausstoß-Verteilerloch zum Ausstoßen von Kühlmittel auf. Des weiteren weist der Außenumfangsabschnitt die nachfolgend zu beschreibenden Kühlmitteleinlasskanäle bildende Einlassnuten und die nachfolgend zu beschreibenden Kühlmittelausstoßkanäle bildende Auslassnuten auf.The outer peripheral portion is an area that includes the edge of the separator and encloses the central portion. The outer peripheral portion has a fuel gas supply manifold for fuel gas supply, a fuel gas exhaust manifold for ejecting fuel gas, an oxidant gas supply manifold for oxidant gas supply, an oxidant gas ejection manifold for ejecting oxidant gas, a coolant supply manifold for coolant supply, and a coolant ejection manifold for ejecting coolant , Further, the outer peripheral portion has the inlet grooves to be described later to be described and the outlet grooves to be described later.

Das erfindungsgemäße Abscheiderpaar ist ein leitfähiges Element, das hergestellt ist, indem diese Abscheider A und B derart gegenüberliegend gestellt sind, dass die Außenumfangsabschnitte miteinander in Berührung zu bringen. Die das Abscheiderpaar bildenden Abscheider A und B können sowohl geklebt als auch nicht geklebt sein. Beim Abscheiderpaar sind die gegenüberliegenden Flächen der Abscheider A und B einander, im folgenden als auch „gegenüberliegende Flächen” bezeichnet. Andererseits sind die rückseitigen Flächen der gegenüberliegenden Flächen der Abscheider A und B als auch „rückseitige Flächen” bezeichnet.The separator pair of the present invention is a conductive member made by making these separators A and B opposed to each other so as to bring the outer peripheral portions into contact with each other. The separators A and B forming the separator pair can both be glued and not glued. The separator pair are the opposite surfaces of the separators A and B each other, hereinafter referred to as "opposite surfaces". On the other hand, the back surfaces of the opposed surfaces of the separators A and B are referred to as "back surfaces".

Ferner steht beim erfindungsgemäßen Abscheiderpaar die gegenüberliegende Fläche am Außenumfangsabschnitt des Abscheiders A mit jener am Außenumfangsabschnitt des Abscheiders B in Berührung. Ein Bereich, an dem die gegenüberliegende Fläche des Außenumfangsabschnitts des Abscheiders A mit jener des Außenumfangsabschnitts des Abscheiders B in Berührung steht, ist im folgenden als auch „Berührungsbereich” bezeichnet.Further, in the separator pair of the present invention, the opposite surface on the outer peripheral portion of the separator A is in contact with that on the outer peripheral portion of the separator B. An area where the opposite surface of the outer peripheral portion of the separator A is in contact with that of the outer peripheral portion of the separator B is hereinafter referred to as "touch area".

Das Abscheiderpaar weist Reaktionsgas- und Kühlmittelkanäle auf. Die Reaktionsgaskanäle sind durch die rückseitigen Flächen der zentralen Abschnitten der Abscheider A und B ausgebildet, während die Kühlmittelkanäle durch die gegenüberliegenden Flächen der zentralen Abschnitten der Abscheider A und B.The separator pair has reaction gas and coolant channels. The reaction gas passages are formed by the back surfaces of the central portions of the separators A and B, while the coolant passages through the opposite surfaces of the central portions of the separators A and B.

Das Abscheiderpaar weist ferner die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch verbindende Kühlmitteleinlasskanäle und die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch verbindende Kühlmittelausstoßkanäle auf. Das Abscheiderpaar kann zusätzlich zwischen den Kühlmitteleinlasskanälen und den Kühlmittelkanälen sowie zwischen den Kühlmittelausstoßkanälen und den Kühlmittelkanälen Abschnitte zur Kühlmittelverteilung aufweisen (s. 12 und 15). Die Anzahl von Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanälen, die ein Abscheiderpaar aufweist, ist nicht besonders beschränkt, und beträgt normalerweise 10 bis 15.The separator pair further includes coolant inlet channels connecting the coolant channels and the coolant supply manifold hole, and coolant ejection channels connecting the coolant channels and the coolant discharge manifold hole. The separator pair may additionally have coolant distribution sections between the coolant inlet channels and the coolant channels and between the coolant discharge channels and the coolant channels (see FIG. 12 and 15 ). The number of refrigerant inlet and coolant discharge channels having a pair of separators is not particularly limited, and is usually 10 to 15.

Die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle sind wie oben beschrieben durch die Einlass und Auslassnuten ausgebildet. Im Einzelnen sind die Einlass- und Auslassnuten auf den gegenüberliegenden Flächen der Außenumfangsabschnitten ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von innovativen Massnahmen an Struktur von Einlass- und Auslassnuten die niedrige Fläche, die in Draufsicht die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle durchläuft, auf den rückseitigen Flächen der Abscheider gestaltet ist, ohne die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle zu verschließen. Hierbei unter „niedrigen Flächen” versteht man die Bereiche der rückseitigen Flächen der Abscheider A und B auf der Rückseite der Berührungsbereiche sowie die Flächen auf gleicher Höhe mit den Bereichen auf der Rückseite der Berührungsbereiche auf den Bereichen der rückseitigen Flächen der Abscheider A und B. Im folgenden ist die Struktur von Einlass- und Auslassnuten erläutert.The coolant inlet and coolant ejection channels are formed by the inlet and outlet grooves as described above. In detail, the inlet and outlet grooves are formed on the opposite surfaces of the outer peripheral portions. The present invention is characterized in that, by means of innovative measures on structure of inlet and outlet grooves, the low area passing through the coolant inlet and outlet channels in plan view is formed on the back faces of the separators without the coolant inlet and outlet channels close. Here, "low areas" are understood to mean the areas of the rear surfaces of the separators A and B on the back of the contact areas and the areas at the same level as the areas on the back of the contact areas on the areas of the rear surfaces of the separators A and B. Im The following explains the structure of inlet and outlet grooves.

a) Zur Struktur von Einlassnutena) The structure of inlet grooves

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Einlassnuten A vom Abscheider A von jener der Einlassnuten B vom Abscheider B unterscheidet.The present invention is characterized in that the structure of the inlet grooves A from the separator A differs from that of the inlet grooves B from the separator B.

Im Einzelnen stehen die Einlassnuten A vom Abscheider A mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch in Verbindung, und nicht mit dem die Kühlmittelkanäle bildenden zentralen Abschnitt. Die rückseitige Fläche des Abscheiders A weist deshalb eine niedrige Fläche zwischen den Einlassnuten A und dem zentralen Abschnitt auf. Andererseits stehen die Einlassnuten B vom Abscheider B mit dem die Kühlmittelkanäle bildenden zentralen Abschnitt in Verbindung, und nicht mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch (s. 10 und 12). Die rückseitige Fläche des Abscheiders B hat somit eine niedrige Fläche zwischen dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und den Einlassnuten B.Specifically, the inlet grooves A from the separator A communicate with the coolant supply manifold hole, not with the central portion forming the coolant channels. The back surface of the separator A therefore has a small area between the inlet grooves A and the central portion. On the other hand, the inlet grooves B from the separator B communicate with the central portion forming the coolant channels, and not with the coolant supply manifold hole (see FIG. 10 and 12 ). The back surface of the separator B thus has a small area between the coolant supply manifold hole and the inlet grooves B.

Deshalb besteht der obere Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus der Einlassnut A, und der untere Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus der Einlassnut B. Ferner ist die niedrige Fläche, die in Draufsicht auf das Abscheiderpaar die Kühlmitteleinlasskanäle durchläuft, auf den rückseitigen Flächen der Abscheider A und B gestaltet.Therefore, the upper part of the coolant inlet channel consists of the inlet groove A, and the lower part of the coolant inlet channel of the inlet groove B. Further, the low surface passing through the coolant inlet channels in plan view of the separator pair is formed on the back surfaces of the separators A and B.

Ferner stehen die Einlassnuten A und B miteinander in Verbindung. Damit sind die das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und den zentralen Abschnitt verbindenden Kühlmitteleinlasskanäle ausgebildet.Further, the inlet grooves A and B communicate with each other. Thus, the coolant inlet passages connecting the coolant supply manifold hole and the central portion are formed.

b) Zur Struktur von Auslassnutenb) The structure of outlet grooves

Auf gleiche Weise wie die Einlassnuten, ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Auslassnuten A vom Abscheider A von jener der Auslassnuten B vom Abscheider B unterscheidet.In the same way as the inlet grooves, the present invention is characterized in that the structure of the outlet grooves A from the separator A is different from that of the outlet grooves B from the separator B.

Die Auslassnuten A vom Abscheider A stehen z. B. mit dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch in Verbindung, und nicht mit dem die Kühlmittelkanäle bildenden zentralen Abschnitt; die Auslassnuten B vom Abscheider B stehen mit dem die Kühlmittelkanäle bildenden zentralen Abschnitt in Verbindung, und nicht mit dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch. Sonst stehen die Auslassnuten A vom Abscheider A mit dem die Kühlmittelkanäle bildenden zentralen Abschnitt in Verbindung, und nicht mit dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch; die Auslassnuten B vom Abscheider B stehen mit dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch in Verbindung, und nicht mit dem die Kühlmittelkanäle bildenden zentralen Abschnitt.The Auslassnuten A from the separator A are z. B. with the coolant discharge manifold hole, and not with the coolant channels forming the central portion; the outlet grooves B from the separator B communicate with the central portion forming the coolant channels, and not with the coolant discharge manifold hole. Otherwise, the outlet grooves A from the separator A communicate with the central portion forming the coolant channels, and not with the coolant discharge manifold hole; the outlet grooves B from the separator B communicate with the coolant discharge manifold hole, not with the central portion forming the coolant channels.

Der obere Teil des Kühlmittelauslasskanals besteht deshalb aus der Auslassnut A, und sein unterer Teil besteht aus der Auslassnut B; ansonsten besteht der obere Teil des Kühlmittelausstoßkanals aus der Auslassnut B, und der untere Teil des Kühlmittelausstoßkanals besteht aus der Auslassnut A. Ferner ist die niedrige Fläche, die in Draufsicht auf das Abscheiderpaar die Kühlmittelausstoßkanäle durchläuft, auf den rückseitigen Flächen der Abscheider A und B gestaltet.The upper part of the coolant outlet channel therefore consists of the outlet groove A, and its lower part consists of the outlet groove B; otherwise The upper part of the refrigerant discharge passage is composed of the discharge groove B, and the lower part of the refrigerant discharge passage is the discharge groove A. Further, the low surface passing through the refrigerant discharge passages in a plan view of the separator pair is formed on the back surfaces of the separators A and B.

Ferner stehen die Auslassnuten A und B miteinander in Verbindung. Damit sind die den zentralen Abschnitt und das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch verbindenden Kühlmittelausstoßkanäle ausgebildet.Further, the outlet grooves A and B communicate with each other. Thus, the coolant discharge passages connecting the central portion and the coolant supply manifold hole are formed.

Auf diese Weise sind die den Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanälen vor- und nachgeschalteten Abschnitte durch die an unterschiedlichen Abscheidern ausgebildeten Nuten gestaltet, so dass die niedrige Fläche, die in Draufsicht auf das Abscheiderpaar die Kühlmittelausstoßkanäle durchläuft, gestaltet sein kann, ohne die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle zu verschließen.In this way, the portions upstream and downstream of the coolant inlet and outlet channels are configured by the grooves formed on different separators so that the low area passing through the coolant ejection channels in plan view of the separator pair can be designed without the coolant inlet and outlet channels to close.

Die Dichtelemente sind Elemente zur Dichtung von Reaktionsgas und Kühlmittel. Die Dichtelemente umfassen Außenumfangsdichtelemente, die am Außenumfang eines Abscheiders vorgesehen sind; Brenngasdichtelemente, die das Brenngaszuführ-Verteilerloch und das Brenngasausstoß-Verteilerloch umschließen; Oxidationsgasdichtelemente, die das Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch und das Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch umschließen; und Kühlmitteldichtelemente, die das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch umschließen.The sealing elements are elements for sealing reaction gas and coolant. The sealing members include outer peripheral sealing members provided on the outer periphery of a separator; Fuel gas sealing members enclosing the fuel gas supply manifold hole and the fuel gas exhaust manifold hole; Oxidizing gas sealing members enclosing the oxidizing gas supply manifold hole and the oxidizing gas ejection manifold hole; and coolant sealing members enclosing the coolant supply manifold hole and the coolant ejection manifold hole.

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente lediglich auf den rückseitigen Flächen der Außenumfangsabschnitte angeordnet sind, und nicht an den gegenüberliegenden Flächen. Der Außenumfangsabschnitt des Abscheiders A steht deshalb mit jenem des Abscheiders B in Berührung. Wenn der Außenumfangsabschnitt des Abscheiders A mit jenem des Abscheiders B in Berührung steht, ist das Verdrehen der der Abscheider auch bei Ausübung von Spanndruck ausgeschlossen. Somit ist Abdichtung für das erfindungsgemäße Abscheiderpaar besonders zuverlässig.The present invention is characterized in that the sealing members are disposed only on the back surfaces of the outer peripheral portions, and not on the opposite surfaces. The outer peripheral portion of the separator A is therefore in contact with that of the separator B. When the outer peripheral portion of the separator A is in contact with that of the separator B, the rotation of the separator is precluded even when clamping pressure is applied. Thus, sealing is particularly reliable for the separator according to the invention.

Ferner weisen die Abscheider A und B in der vorliegenden Erfindung die niedrige Fläche auf, die in Draufsicht auf das Abscheiderpaar die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle durchläuft. Deshalb können in der vorliegenden Erfindung die das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch umschließenden Kühlmitteldichtelemente auf der niedrige Fläche (Rückseite der Berührungsbereiche) angeordnet sein.Further, in the present invention, the separators A and B have the low area passing through the coolant inlet and outlet channels in plan view of the separator pair. Therefore, in the present invention, the coolant sealing members enclosing the coolant supply manifold hole and the coolant discharge manifold hole may be disposed on the low surface (back of the contact portions).

Bei Anordung der Kühlmitteldichtelemente A des Abscheiders A auf der niedrigen Fläche, ist es z. B. möglich, sie so anzuordnen, dass sie das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und die Einlassnuten A umschließen. Bei Anordung der Kühlmitteldichtelemente B des Abscheiders B auf der niedrigen Fläche, ist es möglich, sie so anzuordnen, dass sie nur das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch umschließen.When arranging the coolant sealing elements A of the separator A on the low surface, it is z. For example, it is possible to arrange them so as to surround the coolant supply manifold hole and the inlet grooves A. When arranging the refrigerant seal members B of the separator B on the low surface, it is possible to arrange them so as to surround only the coolant supply manifold hole.

Auf diese Weise kann man Dicke des Abscheiderpaars verringern, indem man die Kühlmitteldichtelemente auf den niedrigen Flächen der Außenumfangsabschnitte anordnet. Ferner ist eine Anordnung der gesamten Dichtelemente (Außenumfangsdichtelemente, Brenngasdichtelemente und Oxidationsgasdichtelemente) auf identischer Fläche (einer niedrigen Fläche) möglich, indem man die Kühlmitteldichtelemente auf der niedrigen Fläche der Außenumfangsabschnitte anordnet. Wenn die gesamten Dichtelemente auf identischer Fläche angeordnet werden kann, ist eine gleiche Ausführung für Querschnitt und Komprimierbarkeit von den gesamten Dichtelementen möglich, was Abweichungen in Dauerhaltbarkeit zwischen verschiedenen Dichtelementen verhindern kann.In this way, one can reduce the thickness of the separator pair by arranging the coolant sealing elements on the low surfaces of the outer peripheral portions. Further, arranging the entire seal members (outer peripheral seal members, fuel gas seal members and oxidizing gas seal members) on an identical area (a low area) is possible by disposing the refrigerant seal members on the low surface of the outer peripheral portions. If the entire sealing elements can be arranged on an identical surface, an identical design for cross-section and compressibility of the entire sealing elements is possible, which can prevent variations in durability between different sealing elements.

Des weiteren überlappen sich die Kühlmitteldichtelemente A und B vorzugsweise in Draufsicht auf das Abscheiderpaar nicht. Eine Überlappung der Kühlmitteldichtelemente A und B kann verhindert werden, z. B. indem ein Bereich des Abscheiders B, den die Kühlmitteldichtelemente B umgeben, von einem Bereich des Abscheiders A, den die Kühlmitteldichtelemente A umgeben, enthalten wird.Furthermore, the coolant sealing elements A and B preferably do not overlap in plan view of the separator pair. An overlap of the coolant sealing elements A and B can be prevented, for. Example, by an area of the separator B, which surround the coolant sealing elements B, of a region of the separator A, which surround the coolant sealing elements A, will be included.

Indem die Abscheider A und B sich nicht überlappen, kann der dünnste Abschnitt des Rahmens der mit Rahmen integrierten MEA vermindert werden, so dass die Festigkeit des Rahmens erhöht werden kann. Somit wird die Festigkeit des Werkstoffs gewährleistet, ohne den Rahmen zu verdicken, was ermöglicht eine dünnere Strukurierung vom Rahmen.By not overlapping the separators A and B, the thinnest portion of the frame of the frame-integrated MEA can be reduced, so that the strength of the frame can be increased. Thus, the strength of the material is ensured without thickening the frame, allowing a thinner structure of the frame.

Der Werkstoff von Dichtelementen ist nicht besonders beschränkt, wenn er Elastizität aufweist, und kann sowohl wärmehärtendes Material als auch thermoplastisches Material sein. Beispielen von wärmehärtendem Material umfassen den Silikonkautschuk (VQM), den Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM), den Flour-Kautschuk (FKM) und dergleichen. Beispielen von thermoplastischem Material umfassen das Elastomer und dergleichen.The material of sealing elements is not particularly limited if it has elasticity, and may be both thermosetting material and thermoplastic material. Examples of the thermosetting material include the silicone rubber (VQM), the ethylene-propylene rubber (EPDM), the fluororubber (FKM), and the like. Examples of thermoplastic material include the elastomer and the like.

Die Außenumfangsabschnitte auf dem Bereich in der Nahe von Dichtelementen sind ferner vorzugsweise stufenlos und flach. Genauer gesagt, sind die Außenumfangsabschnitte auf dem Bereich im Abstand von 0,5 mm oder weniger vorzugsweise stufenlos. Wenn der Bereich in der Nahe von Dichtelementen nicht flach ausgeführt Ware, bestände das Risiko, dass bei ihrem Gießen die Dichtelementen aus der Gussform leckten, was eine Pressformung in gewünschtes Profil ausschließen könnte. Wenn der Bereich in der Nähe von Dichtelementen nicht flach ausgeführt wäre, wurde eine Herstellung von Gussform nach dem Profil von Dichtelementen erschwert.The outer peripheral portions on the region near sealing elements are also preferably stepless and flat. More specifically, the outer peripheral portions are preferably infinitely variable in the range of 0.5 mm or less. If the area is near Sealing elements are not flat goods, there is a risk that leaked during their casting, the sealing elements from the mold, which could preclude a press molding in the desired profile. If the area near sealing elements were not flat, it was difficult to manufacture the mold according to the profile of sealing elements.

Auf diese Weise kann erfindungsgemäß die Dicke vom Abscheiderpaar und Rahmen dünn ausgeführt werden, so dass eine Länge vom Brennstoffzellenstapel in Laminierungsrichtung reduziert werden kann. Somit kann erfindungsgemäß der Brennstoffzellenstapel verkleinert sein.In this way, according to the invention, the thickness of the separator pair and the frame can be made thin so that a length of the fuel cell stack in the lamination direction can be reduced. Thus, according to the invention, the fuel cell stack can be downsized.

Die Wirkungen der Erfindung werden näher unter Bezugsnahme auf Zeichnungen erläutert. Im folgenden wird der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel beschrieben.The effects of the invention will be further explained with reference to drawings. In the following, the fuel cell stack according to the invention will be described.

7 zeigt eine perspektivische Ansicht vom erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist wie in 7 dargestellt mehrere gestapelte Einzelzellen auf. Das Zellenlaminat von Einzelzellen ist durch Endplatten 107 eingeklemmt, und mit einem Befestigungsbolzen 108 und einer Mutter 109 befestigt. 7 shows a perspective view of the fuel cell stack according to the invention 100 , The fuel cell stack 100 points as in 7 presented several stacked single cells. The cell laminate of single cells is by endplates 107 clamped, and with a fixing bolt 108 and a mother 109 attached.

Der Brennstoffzellenstapel 100 weist ferner an einer der Endplatten 107 eine Brenngaszuführöffnung 101, eine Kühlmittelzuführöffnung 102, eine Oxidationsgaszuführöffnung 103, eine Brenngasausstoßöffnung 104, eine Kühlmittelausstoßöffnung 105 und eine Oxidationsgasausstoßöffnung 106 auf. Die Brenngaszuführöffnung 101 ist mit einem Brenngaszuführverteiler gekoppelt; Die Kühlmittelzuführöffnung 102 ist mit einem Kühlmittelzuführverteiler gekoppelt; Die Oxidationsgaszuführöffnung 103 ist mit einem Oxidationsgaszuführverteiler gekoppelt. Ferner ist die Brenngasausstoßöffnung 104 mit einem Brenngasausstoßverteiler gekoppelt; Die Kühlmittelausstoßöffnung 105 ist mit einem Kühlmittelausstoßverteiler gekoppelt; Die Oxidationsgasausstoßöffnung 106 ist mit einem Oxidationsgasausstoßverteiler gekoppelt.The fuel cell stack 100 also has one of the end plates 107 a fuel gas supply port 101 a coolant supply port 102 , an oxidizing gas supply port 103 , a fuel gas discharge port 104 , a coolant discharge port 105 and an oxidizing gas discharge port 106 on. The fuel gas supply port 101 is coupled to a fuel gas supply manifold; The coolant supply port 102 is coupled to a coolant supply manifold; The oxidizing gas supply port 103 is coupled to an oxidizing gas supply manifold. Further, the fuel gas discharge port is 104 coupled with a fuel gas ejection manifold; The coolant discharge opening 105 is coupled to a coolant discharge manifold; The oxidizing gas discharge port 106 is coupled to an oxidant gas ejection manifold.

8 zeigt den in 7 dargestellten Brennstoffzellenstapel 100 in Querschnitt entlang strichpunktierter Linie α. Ferner zeigt 9 eine erweiterte Ansicht der perspektivischen auseinandergezogenen Ansicht vom Brennstoffzellenstapel 100. 8th shows the in 7 illustrated fuel cell stack 100 in cross section along dotted line α. Further shows 9 an expanded view of the perspective exploded view of the fuel cell stack 100 ,

Im Brennstoffzellenstapel 100 sind wie in 8 und 9 dargestellt die mit Rahmen integrierte MEAs 120 und die Abscheiderpaare 140 aufeinander gestapelt. Das Abscheiderpaar 140 besteht aus im Brennstoffzellenstapel 100 aneinander anliegenden Metallabscheidern (Anode-Abscheider 130A und Kathode-Abscheider 130B).In the fuel cell stack 100 are like in 8th and 9 presented the frame-integrated MEAs 120 and the separator pairs 140 stacked on top of each other. The separator pair 140 consists of in the fuel cell stack 100 abutting metal separators (anode separator 130A and cathode separator 130B ).

Zwei die mit Rahmen integrierte MEA 120 einklemmende Abscheiderpaare 140 haben eine gleiche Struktur, wie in 9 dargestellt. Ferner besteht die mit Rahmen integrierte MEA 120 aus einer MEA 121 und einem den Außenumfang der MEA 121 umschließenden Rahmen 123. Die MEA 121 weist ferner eine Polymerelektrolytmembran 125 und ein Paar von die Polymerelektrolytmembran 125 einklemmenden Katalysator-Elektroden 127 auf (s. 12).Two the frame integrated MEA 120 pinching separator pairs 140 have the same structure as in 9 shown. There is also the frame integrated MEA 120 from an MEA 121 and one the outer periphery of the MEA 121 enclosing frame 123 , The MEA 121 further comprises a polymer electrolyte membrane 125 and a pair of the polymer electrolyte membrane 125 clamping catalyst electrodes 127 onto. 12 ).

Der Rahmen 123 weist ein Brenngaszuführ-Verteilerloch 110 zur Brenngaszufuhr, ein Brenngasausstoß-Verteilerloch 111 zum Ausstoßen von Brenngas, ein Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 112 zur Oxidationsgaszufuhr, ein Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch 113 zum Ausstoßen von Oxidationsgas, ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 zur Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 zum Ausstoßen von Kühlmittel auf.The frame 123 has a fuel gas supply manifold hole 110 for fuel gas supply, a fuel gas exhaust manifold hole 111 for discharging fuel gas, an oxidant gas supply manifold hole 112 for oxidizing gas supply, an oxidizing gas discharge manifold hole 113 for discharging oxidizing gas, a coolant supply manifold hole 114 to the coolant supply and coolant discharge manifold hole 115 for discharging coolant.

10 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht vom in 9 dargestellten Abscheiderpaar 140. Das Abscheiderpaar 140 wird wie in 10 dargestellt hergestellt, indem der Anode-Abscheider 130A und der Kathode-Abscheider 130B derart gegenüberliegend gestellt sind, dass ihre Außenumfangsabschnitte 133 miteinander in Berührung stehen. 10 shows a perspective exploded view of the in 9 illustrated separator pair 140 , The separator pair 140 will be like in 10 prepared by the anode separator 130A and the cathode separator 130B are placed opposite each other, that their outer peripheral portions 133 in contact with each other.

Jeder der Abscheider (130A und 130B) weist einen gewellten zentralen Abschnitt 131, einen den zentralen Abschnitt 131 umgebenden Außenumfangsabschnitt 133 und am Außenumfangsabschnitt 133 vorgesehene Dichtelemente auf.Each of the separators ( 130A and 130B ) has a corrugated central portion 131 , one the central section 131 surrounding outer peripheral portion 133 and on the outer peripheral portion 133 provided sealing elements.

Die rückseitige Fläche des zentralen Abschnitts 131 bildet Reaktionsgaskanäle 139, während die gegenüberliegende Fläche des zentralen Abschnitts 131 Kühlmittelkanäle 141 bildet. Am zentralen Abschnitt 131 sind Abschnitte 132 zur Reaktionsgasverteilung auf- und abwärts von Reaktionsgaskanälen 139 ausgebildet, während Abschnitte 142 zur Kühlmittelverteilung auf- und abwärts von Kühlmittelkanälen 141 aufgebaut sind. Die rückseitige Fläche des zentralen Abschnitts 131 steht mit einer Katalysator-Elektrode 127 der MEA 121 in Berührung.The back surface of the central section 131 forms reaction gas channels 139 while the opposite surface of the central section 131 Coolant channels 141 forms. At the central section 131 are sections 132 for reaction gas distribution up and down of reaction gas channels 139 trained while sections 142 for coolant distribution up and down of coolant channels 141 are constructed. The back surface of the central section 131 stands with a catalyst electrode 127 the MEA 121 in touch.

Der Außenumfangsabschnitt 133 weist ein Brenngaszuführ-Verteilerloch 110 zur Brenngaszufuhr, ein Brenngasausstoß-Verteilerloch 111 zum Ausstoßen von Brenngas, ein Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 112 zur Oxidationsgaszufuhr, ein Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch 113 zum Ausstoßen von Oxidationsgas, ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 zur Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 zum Ausstoßen von Kühlmittel auf.The outer peripheral portion 133 has a fuel gas supply manifold hole 110 for fuel gas supply, a fuel gas exhaust manifold hole 111 for discharging fuel gas, an oxidant gas supply manifold hole 112 for oxidizing gas supply, an oxidizing gas discharge manifold hole 113 for discharging oxidizing gas, a coolant supply manifold hole 114 to the coolant supply and coolant discharge manifold hole 115 for discharging coolant.

Drei Einlassnuten 135A und drei Auslassnuten 137A sind auf der gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts 133A des Anode-Abscheiders 130A ausgebildet. Die Einlassnuten 135A stehen mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 in Verbindung, und nicht mit dem zentralen Abschnitt 131A. Die Auslassnuten 137A stehen des weiteren mit dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 in Verbindung, und nicht mit dem zentralen Abschnitt 131A.Three inlet grooves 135A and three outlet grooves 137A are on the opposite surface the outer peripheral portion 133A of the anode separator 130A educated. The inlet grooves 135A stand with the coolant supply manifold hole 114 in connection, and not with the central section 131A , The outlet grooves 137A further, with the coolant discharge manifold hole 115 in connection, and not with the central section 131A ,

Auf diese Weise verbinden die Einlassnuten 135A das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 nicht direkt mit dem zentralen Abschnitt 131A. Die rückseitige Fläche des Anode-Abscheiders 130A weist deshalb eine niedrige Fläche Y zwischen den Einlassnuten 135A und dem zentralen Abschnitt 131A auf. Die Einlassnuten 135A verbinden ebenfalls das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 nicht direkt mit dem zentralen Abschnitt 131A. Die rückseitige Fläche des Anode-Abscheiders 130A weist deshalb eine niedrige Fläche Y zwischen den Auslassnuten 137A und dem zentralen Abschnitt 131A auf.In this way, the inlet grooves connect 135A the coolant supply manifold hole 114 not directly with the central section 131A , The back surface of the anode separator 130A therefore has a low area Y between the inlet grooves 135A and the central section 131A on. The inlet grooves 135A also connect the coolant ejection manifold hole 115 not directly with the central section 131A , The back surface of the anode separator 130A therefore has a low area Y between the outlet grooves 137A and the central section 131A on.

Drei Einlassnuten 135B und drei Auslassnuten 137B sind auf der gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts 133B des Kathode-Abscheiders 130B ausgebildet. Die Einlassnuten 135B stehen mit dem zentralen Abschnitt 131B in Verbindung, und nicht mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114. Die Auslassnuten 137B stehen des weiteren mit dem zentralen Abschnitt 131B in Verbindung, und nicht mit dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115.Three inlet grooves 135B and three outlet grooves 137B are on the opposite surface of the outer peripheral portion 133B of the cathode separator 130B educated. The inlet grooves 135B stand with the central section 131B in communication, and not with the coolant supply manifold hole 114 , The outlet grooves 137B stand further with the central section 131B and not with the coolant ejection manifold hole 115 ,

Auf diese Weise verbinden die Einlassnuten 135B das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 nicht direkt mit dem zentralen Abschnitt 131B. Die rückseitige Fläche des Kathode-Abscheiders 130B weist deshalb eine niedrige Fläche Y zwischen dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 und den Einlassnuten 135B auf. Die Auslassnuten 137B verbinden ebenfalls das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 nicht direkt mit dem zentralen Abschnitt 131B. Die rückseitige Fläche des Kathode-Abscheiders 130B weist deshalb eine niedrige Fläche Y zwischen dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 und den Auslassnuten 137B auf.In this way, the inlet grooves connect 135B the coolant supply manifold hole 114 not directly with the central section 131B , The back surface of the cathode separator 130B therefore has a low area Y between the coolant supply manifold hole 114 and the inlet grooves 135B on. The outlet grooves 137B also connect the coolant ejection manifold hole 115 not directly with the central section 131B , The back surface of the cathode separator 130B therefore has a low area Y between the coolant discharge manifold hole 115 and the outlet grooves 137B on.

Die Einlassnuten 135 und die Auslassnuten 137 sind vorzugsweise jeweils 0,8 bis 2 mm weit und 0,25 bis 0,5 mm tief. Wenn die jeweilige Weite der Einlassnuten 135 und Auslassnuten 137 2 mm oder mehr betrüge, bestände das Risiko, dass die Nuten durch Spanndruck gedrückt waren, und die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanäle verschlossen wären. Wenn die jeweilige Weite der Einlassnuten 135 und Auslassnuten 137 andererseits weniger als 0,8 mm oder die Tiefe der Nuten weniger als 0,25 mm betrüge, bestände das Risiko, dass der Druckverlust an den Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelausstoßkanälen erhöht würde, so dass eine ausreichende Menge von Kühlmittel zu den Kühlmittelkanälen nicht zugeführt werden könnte.The inlet grooves 135 and the outlet grooves 137 are preferably each 0.8 to 2 mm wide and 0.25 to 0.5 mm deep. If the respective width of the inlet grooves 135 and outlet grooves 137 2 mm or more, there was a risk that the grooves would be pressed by clamping pressure and the coolant inlet and coolant discharge channels would be closed. If the respective width of the inlet grooves 135 and outlet grooves 137 On the other hand, less than 0.8 mm or the depth of the grooves would be less than 0.25 mm, there would be a risk that the pressure loss at the coolant inlet and coolant discharge channels would be increased, so that a sufficient amount of coolant could not be supplied to the coolant channels ,

Die Dichtelemente umfassen Außenumfangsdichtelemente 151, die am Außenumfang eines Abscheiders vorgesehen sind; Brenngasdichtelemente 153, die das Brenngaszuführ-Verteilerloch 110 und das Brenngasausstoß-Verteilerloch 111 umschließen; Oxidationsgasdichtelemente 155, die das Oxidationsgaszuführ-Verteilerloch 112 und das Oxidationsgasausstoß-Verteilerloch 113 umschließen; und Kühlmitteldichtelemente 157, die das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 umschließen.The sealing elements comprise outer peripheral sealing elements 151 which are provided on the outer periphery of a separator; Fuel gas sealing elements 153 that the fuel gas supply manifold hole 110 and the fuel gas ejection manifold hole 111 enclose; Oxidizing gas sealing elements 155 that the oxidizing gas supply manifold hole 112 and the oxidizing gas discharge manifold hole 113 enclose; and coolant sealing elements 157 that the coolant supply manifold hole 114 and the coolant ejection manifold hole 115 enclose.

Die Außenumfangsdichtelemente 151 verhindern, dass das Reaktionsgas oder Kühlmittel vom Brennstoffzellenstapel nach außen leckt. Die Brenngasdichtelemente 153 verhindern, dass das Brenngas vom Verteilerloch für den Durchlass des Brenngases nach außen leckt. Die Oxidationsgasdichtelemente 155 verhindern, dass das Oxidationsgas vom Verteilerloch für den Durchlass des Oxidationsgases nach außen leckt. Die Kühlmitteldichtelemente 157 verhindern, dass das Kühlmittel vom Verteilerloch für den Durchlass des Kühlmittels nach außen leckt. Somit sind die drei Flüssigkeiten, d. h. Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmittel, nie miteinander gemischt.The outer circumference sealing elements 151 prevent the reaction gas or refrigerant from leaking to the outside of the fuel cell stack. The fuel gas sealing elements 153 prevent the fuel gas from leaking to the outside for the passage of the fuel gas. The Oxidationsgasdichtelemente 155 prevent the oxidizing gas from leaking to the outside for the passage of the oxidizing gas. The coolant sealing elements 157 prevent the coolant from leaking to the outside for the passage of the coolant. Thus, the three liquids, ie fuel gas, oxidant gas and coolant, are never mixed.

Die punktierte Linie in 10 zeigt die auf der rückseitigen Fläche des dargestellten Kathode-Abscheiders 130B angeordneten Dichtelemente. Die Dichtelemente sind wie in 10 gezeigt nur auf den rückseitigen Flächen der Außenumfangsabschnitte 133 der Abscheider 130 angeordnet, und nicht auf den gegenüberliegenden Flächen der Außenumfangsabschnitte 133. Ferner stehen der Außenumfangsabschnitt 133A des Anode-Abscheiders 130A und der Außenumfangsabschnitt 133B des Kathode-Abscheiders 130B miteinander in Berührung. Die Außenumfangsabschnitte 133 der Abscheider 130 sind somit auch bei Ausübung von Spanndruck nicht verdreht.The dotted line in 10 shows the on the back surface of the illustrated cathode separator 130B arranged sealing elements. The sealing elements are as in 10 shown only on the back surfaces of the outer peripheral portions 133 the separator 130 arranged, and not on the opposite surfaces of the outer peripheral portions 133 , Further, the outer peripheral portion 133A of the anode separator 130A and the outer peripheral portion 133B of the cathode separator 130B in contact with each other. The outer peripheral sections 133 the separator 130 are thus not twisted even when exercising clamping pressure.

Im folgenden sind andere Merkmale der vorliegenden Erfindung, d. h. die Kühlmitteleinlasskanäle 143 und die Kühlmitteldichtelemente 157, erläutert.The following are other features of the present invention, ie the coolant inlet channels 143 and the coolant sealing elements 157 , explained.

11 zeigt eine erweiterte perspektivische Ansicht eines Bereichs in Nahe vom Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 des Abscheiderpaars 140. Dann zeigt 12 eine erweiterte Ansicht des Brennstoffzellenstapels 100 in Querschnitt entlang der Linie β in 11, und 13 einen erweiterte Ansicht des Brennstoffzellenstapels 100 in Querschnitt entlang der Linie γ in 11. 11 shows an expanded perspective view of an area near the coolant supply manifold hole 114 of the separator pair 140 , Then shows 12 an expanded view of the fuel cell stack 100 in cross section along the line β in 11 , and 13 an expanded view of the fuel cell stack 100 in cross section along the line γ in 11 ,

Das Abscheiderpaar 140 weist wie in 12 dargestellt Kühlmittelkanäle 141, Abschnitte 142 zur Kühlmittelverteilung und Kühlmitteleinlasskanäle 143 auf. Die oberen Teile der Kühlmitteleinlasskanälen 143 bestehen aus den Einlassnuten 135A, und ihre unteren Teile bestehen uas den Einlassnuten 135B.The separator pair 140 points as in 12 represented coolant channels 141 , Sections 142 to the coolant distribution and coolant inlet channels 143 on. The upper parts of the coolant inlet channels 143 consist of the inlet grooves 135A , and their lower parts are uas the inlet grooves 135B ,

Die Einlassnuten 135A und die Einlassnuten 135B überlappen sich teilweise. Eine solche Überlappung von den Nuten 135A und 135B lässt das Kühlmittel von auf- nach abwärts fließen. Die Weite W eines Bereiches, in welchem die Nuten 135A und 135B sich überlappen, beträgt üblicherweise 1 bis 2 mm.The inlet grooves 135A and the inlet grooves 135B partially overlap. Such an overlap of the grooves 135A and 135B lets the coolant flow from upwards to downwards. The width W of a region in which the grooves 135A and 135B overlap, is usually 1 to 2 mm.

Das Kühlmitteldichtelement 157A umschließt wie in 12 dargetellt das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 und die Einlassnuten 135A, und sind auf der niedrigen Fläche Ya zwischen den Einlassnuten 135A und dem zentralen Abschnitt 131 angeordnet. Die Kühlmitteldichtelemente 157B umschließen das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114, und sind auf der niedrigen Fläche Yb zwischen dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 und den Einlassnuten 135B angeordnet.The coolant sealing element 157A encloses as in 12 shows the coolant supply manifold hole 114 and the inlet grooves 135A , and are on the low surface Ya between the inlet grooves 135A and the central section 131 arranged. The coolant sealing elements 157B enclose the coolant supply manifold hole 114 , and are on the low surface Yb between the coolant supply manifold hole 114 and the inlet grooves 135B arranged.

Das Kühlmitteldichtelement 157A überlappt somit eine Anordnungsposition der Einlassnuten 135B, und die Kühlmitteldichtelemente 157B jene der Einlassnuten 135A.The coolant sealing element 157A thus overlaps an arrangement position of the inlet grooves 135B , and the coolant sealing elements 157B those of the inlet grooves 135A ,

Auf diese Weise sind die Kühlmitteldichtelemente 157 auf den niedrigen Flächen Y angeordnet, so dass die Dicke T1 des Abscheiderpaars 140 einschließlich der Dichtabschnitte minimal so dünn als die Summe aus der Dicke von die Abscheider bildenden Metallblechen und aus jener von den zwei Kühlmitteldichtelementen ausgeführt sein kann.In this way, the coolant sealing elements 157 arranged on the low areas Y, so that the thickness T1 of the separator pair 140 including the sealing portions may be at least as thin as the sum of the thickness of the metal sheets forming the separators and that of the two refrigerant sealing elements.

Ferner ist ein vom Kühlmitteldichtelement 157A umgebener Bereich wie in 11 und 12 dargetellt in Draufsicht auf das Abscheiderpaar 140 größer als jener, der vom Kühlmitteldichtelement 157B umgeben ist, und das Kühlmitteldichtelement 157A und die Kühlmitteldichtelemente 157B überlappen sich nicht.Furthermore, one of the coolant sealing element 157A surrounded area as in 11 and 12 shown in plan view of the separator pair 140 larger than that of the coolant sealing element 157B is surrounded, and the coolant sealing element 157A and the coolant sealing elements 157B do not overlap.

Wenn sich die Kühlmitteldichtelemente 157A und 157B wie vorstehend beschrieben nicht überlappen, ist der dünnste Bereich 122 vom Rahmen 123 nur jener, der von den Außenumfangsdichtelementen 151A und 151B eingeklemmt ist. Wenn andererseits sich die Kühlmitteldichtelemente 157A und 157B überlappen, sind der von den Außenumfangsdichtelementen 151A und 151B eingeklemmten Bereich sowie jener, der von den Außenumfangsdichtelementen 157A und 157B eingeklemmt ist, am dünnsten, so dass der dünnste Bereich 122 vom Rahmen 123 erweitert ist (s. 5).When the coolant sealing elements 157A and 157B as described above, do not overlap is the thinnest area 122 from the frame 123 only the one from the outer circumference sealing elements 151A and 151B is trapped. On the other hand, if the coolant sealing elements 157A and 157B are overlapping, that of the outer peripheral sealing elements 151A and 151B clamped area as well as that of the outer peripheral sealing elements 157A and 157B is pinched, thinnest, leaving the thinnest area 122 from the frame 123 is extended (s. 5 ).

Je erweitert der dünnste Bereich vom Rahmen 123 ist, desto vermindert die Festigkeit des Rahmens 123 ist, so dass die Dicke des Rahmens 123 dementsprechend erhöht sein muss.Depending on the thinnest area expanded from the frame 123 is, the less the strength of the frame 123 is, so the thickness of the frame 123 must be increased accordingly.

Wenn andererseits wie in der vorliegenden Erfindung der dünne Bereich vom Rahmen 123 begrenzt ist, die Festigkeit des Rahmens 123 gewährleistet sein kann, ohne ihn zu verdicken. Demzufolge kann der Rahmen 123 dünner ausgeführt sein, als im Fall vom erweiterten dünnen Bereich vom Rahmen 123.If, on the other hand, as in the present invention, the thin portion of the frame 123 limited, the strength of the frame 123 can be ensured without thickening it. As a result, the frame 123 be made thinner than in the case of the extended thin area of the frame 123 ,

Im folgenden sind die Kühlmittelausstoßkanäle und die Kühlmitteldichtelement 157 erläutert.The following are the coolant discharge channels and the coolant sealing element 157 explained.

14 zeigt eine erweiterte perspektivische Ansicht vom Abscheiderpaar 140 in Nähe vom Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115. Ferner zeigt 15 eine erweiterte Ansicht vom Brennstoffzellenstapel 100 in Querschnitt entlang der Linie β in 14, und 16 einen erweiterte Ansicht des Brennstoffzellenstapels 100 in Querschnitt entlang der Linie γ in 14. 14 shows an expanded perspective view of the pair of separators 140 in the vicinity of the coolant discharge manifold hole 115 , Further shows 15 an expanded view of the fuel cell stack 100 in cross section along the line β in 14 , and 16 an expanded view of the fuel cell stack 100 in cross section along the line γ in 14 ,

Das Abscheiderpaar 140 weist wie in 16 dargestellt Kühlmittelausstoßkanäle 145 auf, die Abschnitte 142 zur Kühlmittelverteilung und das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch 114 verbinden. Die oberen Teile der Kühlmittelausstoßkanälen 145 bestehen aus den Auslassnuten 137B, und ihre unteren Teils bestehen aus der Auslassnuten 137A.The separator pair 140 points as in 16 represented coolant discharge channels 145 on, the sections 142 to the coolant distribution and the coolant supply manifold hole 114 connect. The upper parts of the coolant discharge channels 145 consist of the Auslassnuten 137B , and their lower part consist of the Auslassnuten 137A ,

Die Auslassnuten 137B und die Auslassnuten 137A überlappen sich teilweise. Eine solche Überlappung von den Auslassnuten 137B und 137A lässt das Kühlmittel von auf- nach abwärts fließen. Die Weite W eines Bereiches, in welchem die Auslassnuten 137B und die Auslassnuten 137A sich überlappen, beträgt üblicherweise 1 bis 2 mm.The outlet grooves 137B and the outlet grooves 137A partially overlap. Such an overlap of the Auslassnuten 137B and 137A lets the coolant flow from upwards to downwards. The width W of a region in which the Auslassnuten 137B and the outlet grooves 137A overlap, is usually 1 to 2 mm.

Das Kühlmitteldichtelement 157A umschließt wie in 14 bis 16 dargetellt das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 und die Auslassnuten 137A, und ist auf der niedrigen Fläche Ya zwischen den Auslassnuten 137A und dem zentralen Abschnitt 131 angeordnet. Die Kühlmitteldichtelemente 157B umschließen das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115, und sind auf der niedrigen Fläche Yb zwischen dem Kühlmittelausstoß-Verteilerloch 115 und den Auslassnuten 137B angeordnet.The coolant sealing element 157A encloses as in 14 to 16 shows the coolant ejection manifold hole 115 and the outlet grooves 137A , and is on the low surface Ya between the Auslassnuten 137A and the central section 131 arranged. The coolant sealing elements 157B enclose the coolant ejection manifold hole 115 , and are on the low surface Yb between the coolant discharge manifold hole 115 and the outlet grooves 137B arranged.

Das Kühlmitteldichtelement 157A überlappt somit eine Anordnungsposition der Auslassnuten 137B, und die Kühlmitteldichtelemente 157B jene der Auslassnuten 137A.The coolant sealing element 157A thus overlaps an arrangement position of the Auslassnuten 137B , and the coolant sealing elements 157B those of the outlet grooves 137A ,

Im folgenden ist die Strömung von Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmittel in einem solchen Brennstoffzellenstapel erläutert.In the following, the flow of fuel gas, oxidizing gas and refrigerant in such a fuel cell stack will be explained.

Das von der Brenngaszuführöffnung 101 in den Brenngaszuführverteiler einfließende Brenngas durchläuft die Brenngaskanäle 139A, die auf dem zentralen Abschnitt 131 des Anode-Abscheiders 130A ausgebildet sind; es fließt dann in den Kühlmittelausstoßverteiler ein, bevor es aus dem Brenngasausstoßöffnung 104 ausgestoßen wird. Das Brenngas wird der Katalysatorelektrode der MEA 121 zugeführt, indem es die Brenngaskanäle 139A durchläuft; es trägt somit zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen bei.That of the fuel gas supply port 101 Fuel gas flowing into the fuel gas supply manifold passes through the fuel gas channels 139A on the central section 131 of the anode separator 130A are trained; it then flows into the refrigerant discharge manifold before leaving the fuel gas discharge port 104 is ejected. The fuel gas becomes the catalyst electrode of the MEA 121 supplied by the fuel gas channels 139A passes; It thus contributes to the generation of electricity in fuel cells.

Das von der Oxidationsgaszuführöffnung 103 in den Oxidationsgaszuführverteiler einfließende Brenngas durchläuft die Oxidationsgaskanäle 139B, die auf dem zentralen Abschnitt 131B des Kathode-Abscheiders 130B ausgebildet sind; es fließt dann in den Kühlmittelausstoßverteiler ein, bevor es aus dem Oxidationsgasausstoßöffnung 106 ausgestoßen wird. Das Oxidationsgas wird der Katalysatorelektrode der MEA 121 zugeführt, indem es die Oxidationsgaskanäle 139B durchläuft; es trägt somit zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen bei.That of the oxidizing gas supply port 103 Fuel gas flowing into the oxidizing gas supply manifold passes through the oxidizing gas passages 139B on the central section 131B of the cathode separator 130B are trained; it then flows into the refrigerant discharge manifold before leaving the oxidant gas discharge port 106 is ejected. The oxidizing gas becomes the catalyst electrode of the MEA 121 supplied by the oxidation gas channels 139B passes; It thus contributes to the generation of electricity in fuel cells.

Das von der Kühlmittelzuführöffnung 102 in den Kühlmittelzuführverteiler einfließende Kühlmittel durchläuft die Kühlmitteleinlasskanäle 143 und fließt dann in die Kühlmittelkanäle ein. Das Kühlmittel entzieht den Brennstoffzellen Wärme, während es die Kühlmittelkanäle durchläuft; es fließt nachdem über die Kühlmittelausstoßkanäle 145 in den Kühlmittelausstoßverteiler ein.That from the coolant supply port 102 Coolant flowing into the coolant supply manifold passes through the coolant inlet channels 143 and then flows into the coolant channels. The coolant extracts heat from the fuel cells as it passes through the coolant channels; it flows past via the coolant ejection channels 145 into the coolant discharge manifold.

Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial Applicability

Das erfindungsgemäße mit Dichtelementen integrierte Abscheiderpaar ist hochzuverlässig abdichtet, so dass es die Gas- oder Kühlmittelströmung regelt und eine gegenseitige Mischung sicher verhindert. Ferner wird der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel in tragbaren Netzanschlüssen, elektrischen Stromversorgungen von Kraftfahrzeugen und Kraft-Wärme-Kopplungssystemen von Häusern verwendet.The inventive pair of sealing elements integrated with the separator is highly reliable seals so that it controls the flow of gas or refrigerant and prevents mutual mixing safely. Further, the fuel cell stack of the present invention is used in portable power supplies, electric power supplies of automobiles, and home power-heat coupling systems.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
101101
Brenngaszuführöffnungfuel gas supply opening
102102
KühlmittelzuführöffnungKühlmittelzuführöffnung
103103
OxidationsgaszuführöffnungOxidationsgaszuführöffnung
104104
BrenngasausstoßöffnungFuel gas discharge port
105105
KühlmittelausstoßöffnungCoolant discharge port
106106
OxidationsgasausstoßöffnungOxidizing gas discharge port
107107
Endplatteendplate
108108
Befestigungsbolzenmounting bolts
109109
Muttermother
110110
Brenngaszuführ-VerteilerlochBrenngaszuführ distribution hole
111111
Brenngasausstoß-VerteilerlochFuel gas discharge manifold hole
112112
Oxidationsgaszuführ-VerteilerlochOxidationsgaszuführ distribution hole
113113
Oxidationsgasausstoß-VerteilerlochOxidizing gas discharge manifold hole
114114
Kühlmittelzuführ-VerteilerlochCoolant supply manifold hole
115115
Kühlmittelausstoß-VerteilerlochCoolant discharge manifold hole
120120
mit Rahmen integrierte MEAwith frame integrated MEA
121121
MEAMEA
122122
dünnster Abschnitt des Rahmensthinnest section of the frame
123123
Rahmenframe
124124
Vertiefungdeepening
125125
PolymerelektrolytmembranPolymer electrolyte membrane
127127
Katalysator-ElektrodeCatalyst electrode
130130
MetallabscheiderMetal separators
131131
zentraler Abschnittcentral section
132132
Abschnitt zur ReaktionsgasverteilungReaction gas distribution section
133133
AußenumfangsabschnittOuter peripheral portion
135135
Einlassnutinlet groove
137137
Auslassnutexhaust groove
139139
ReaktionsgaskanalReaction gas channel
140140
Abscheiderpaarof separators
141141
KühlmittelkanalCoolant channel
142142
Abschnitte zur KühlmittelverteilungCoolant distribution sections
143143
KühlmitteleinlasskanalCoolant inlet channel
145145
KühlmittelausstoßkanalCoolant discharge passage
151151
AußenumfangsdichtelementOuter peripheral sealing element
153153
BrenngasdichtelementFuel gas sealing element
155155
OxidationsgasdichtelementOxidizing gas sealing element
157157
KühlmitteldichtelementCoolant sealing element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • JP 2006-147258 A [0013] JP 2006-147258 A [0013]
  • JP 2003-197221 A [0013] JP 2003-197221A [0013]
  • JP 2004-63094 A [0013] JP 2004-63094 A [0013]
  • JP 2007-329125 A [0013] JP 2007-329125 A [0013]

Claims (4)

Ein Brennstoffzellenstapel, in dem mit Rahmen integrierte MEAs mit jeweils einer MEA und einem die MEA umschließenden und ein Kühlmittelzuführ-Verteilerloch aufweisenden Rahmen; und Abscheiderpaare, bei den jeweils ein Metallabscheider A und ein Metallabscheider B, die jeweils einen gewellten und Kanäle bildenden zentralen Abschnitt sowie einen den zentralen Abschnitt umschließenden Außenumfangsabschnitt aufweisen, derart gegenüberliegend gestellt sind, dass die Außenumfangsabschnitte miteinander in Berührung zu bringen, und der Metallabscheider A und der Metallabscheider B ein am Außenumfangsabschnitt angeordnetes Kühlmittel-verteilerloch und auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts angeordnete Kühlmitteldichtelemente aufweisen; aufeinander gestapelt sind, wobei der Rahmen die Kühlmitteldichtelemente aufnehmende Vertiefungen aufweist, das Abscheiderpaar aus gegenüberliegenden Flächen der zentralen Abschnitte von den Metallabscheidern A und B bestehende Kühlmittelkanäle und einen die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelzuführ-verteilerloch verbindenden Kühlmitteleinlasskanal aufweist, ein oberer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Einlassnut A besteht, die auf einer gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnittes des Metallabscheiders A ausgebildet ist und mit dem Kühlmittelzuführ-Verteilerloch in Verbindung steht, ein unterer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Einlassnut B besteht, die auf einer gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders B ausgebildet ist und mit dem zentralen Abschnitt in Verbindung steht, ein auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders A angeordnetes Kühlmitteldichtelement A, das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch und die Nut A umschließen, und ein auf der Rückseite des Berührungsbereichs des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders B angeordnetes Kühlmitteldichtelement B das Kühlmittelzuführ-Verteilerloch umschließen.A fuel cell stack in the frame-integrated MEAs each having an MEA and a frame enclosing the MEA and having a coolant supply manifold hole; and separator pairs wherein each of a metal separator A and a metal separator B each having a corrugated and channel-forming central portion and an outer peripheral portion enclosing the central portion are opposed to each other so as to bring the outer peripheral portions into contact with each other, and the metal separator A and the metal separator B has a coolant distribution hole disposed on the outer peripheral portion and coolant seal members disposed on the back surface of the contacting portion of the outer peripheral portion; stacked on each other, where the frame has the coolant sealing elements receiving recesses, the separator pair comprises coolant channels formed from opposing surfaces of the central portions of the metal separators A and B and a coolant inlet channel connecting the coolant channels and the coolant supply manifold hole; an upper part of the coolant inlet passage consists of an inlet groove A formed on an opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator A and communicating with the coolant supply manifold hole; a lower part of the coolant inlet passage consists of an inlet groove B formed on an opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator B and communicating with the central portion, a coolant seal member A disposed on the rear side of the contact portion of the outer peripheral portion of the metal separator A and enclosing the coolant supply manifold hole and the groove A, and a coolant seal member B disposed on the rear side of the contact portion of the outer peripheral portion of the metal separator B encloses the coolant supply manifold hole. Der Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der vom Kühlmitteldichtelement A umgebene Bereich jenen einschließt, der vom Kühlmitteldichtelement B umgeben ist, und das Kühlmitteldichtelement A und das Kühlmitteldichtelement B sich nicht überlappen.The fuel cell stack according to claim 1, wherein the area surrounded by the refrigerant seal member A includes that surrounded by the refrigerant seal member B, and the refrigerant seal member A and the coolant seal member B do not overlap. Der Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Außenumfangsabschnitt ferner ein Kühlmittelausstoß-Verteilerloch aufweist, wobei das Abscheiderpaar ferner einen Kühlmittelausstoßkanal aufweist, der die Kühlmittelkanäle und das Kühlmittelausstoß-Verteilerloch verbindet, ein oberer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Auslassnut B besteht, die auf der gegenüberliegenden Flüche des Außenumfangsabschnitt des Metallabscheiders B ausgebildet ist und mit dem zentralen Abschnitt in Verbindung steht, und ein unterer Teil des Kühlmitteleinlasskanals aus einer Auslassnut A besteht, die auf der gegenüberliegenden Fläche des Außenumfangsabschnitts des Metallabscheiders A ausgebildet ist und mit dem Metallabscheider A und Metallabscheider in Verbindung steht.The fuel cell stack according to claim 1, wherein the outer peripheral portion further comprises a coolant discharge manifold hole, wherein the separator pair further includes a refrigerant discharge passage connecting the refrigerant passages and the refrigerant discharge distribution hole; an upper part of the coolant inlet passage consists of an outlet groove B formed on the opposite curse of the outer peripheral portion of the metal separator B and communicating with the central portion, and a lower part of the coolant inlet passage consists of an exhaust groove A formed on the opposite surface of the outer peripheral portion of the metal separator A and communicating with the metal separator A and metal separators. Der Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Metallabscheider A ein Anode-Abscheider ist und der Metallabscheider B ein Kathode-Abscheider ist.The fuel cell stack of claim 1, wherein the metal separator A is an anode separator and the metal separator B is a cathode separator.
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