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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, in der eine Membranelektrodenanordnung und Separatoren in horizontaler Richtung aufrecht aneinander gestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden und eine zwischen den Elektroden eingefügte Elektrolytmembran.
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Zum Beispiel verwendet eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle eine Festpolymer-Elektrolytmembran. Die Festpolymer-Elektrolytmembran ist eine Polymer-Ionenaustauschmebran, und ist zwischen einer Anode und einer Kathode eingefügt, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Membranelektrodenanordnung und ein die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmendes Separatorenpaar bilden eine Stromerzeugungszelle (Zelleneinheit) zum Erzeugen von Elektrizität. Im Gebrauch sind typischerweise mehrere zehn bis mehrere hundert solcher Stromerzeugungszellen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels aneinander gestapelt, der zum Beispiel in einem Fahrzeug angebracht ist.
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In der Brennstoffzelle werden häufig so genannte interne Verteiler und Sammler verwendet, um Brenngas und Sauerstoff-haltiges Gas als Reaktionsgase der Anode und der Kathode jeder der gestapelten Stromerzeugungszellen zuzuführen.
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Der interne Verteiler bzw. Sammler enthält Reaktionsgaszuführkanäle (Brenngaszufuhrkanal, Sauerstoff-haltiges-Gas-Zufuhrkanal) sowie Reaktionsgasabführkanäle (Brenngasabführkanal, Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal), die sich in der Stapelrichtung durch die Stromerzeugungszellen hindurch erstrecken. Die Reaktionsgaszuführkanäle und die Reaktionsgasabführkanäle sind jeweils mit Einlässen und Auslässen von Reaktionsgas-Fließfeldern (Brenngas-Fließfeld, Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld) verbunden, um die Reaktionsgase entlang den Elektrodenoberflächen zu leiten.
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In einigen Fällen können die Reaktionsgaszuführkanäle und die Reaktionsgasabführkanäle mit den Reaktionsgas-Fließfeldern durch Verbindungskanäle verbunden sein, die jeweils eine Mehrzahl von Durchgangslöchern haben, um den glatten und gleichmäßigen Durchfluss der Reaktionsgase zu ermöglichen.
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In der
JP 2006-216491 A (nachfolgend als Stand der Technik bezeichnet) enthält, wie zum Beispiel in
7 gezeigt, eine anodenseitige Platte (Separator) einen Brenngaszuführverteilerbildungsabschnitt
1a, einen Brenngasabführsammlerbildungsabschnitt
1b, einen Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführverteilerbildungsabschnitt
2a, einen Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführsammlerbildungsabschnitt
2b, einen Kühlmittelzufuhrverteilerbildungsabschnitt
3a und einen Kühlmittelabführsammlerbildungsabschnitt
3b.
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Ferner enthält die anodenseitige Platte eine Mehrzahl von Brenngaszuführlöchern 4a, die in einer Reihe an der Mittelseite des Brenngaszuführverteilerbildungsabschnitts 1a angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Brenngasabführlöchern 4b, die in einer Reihe an der Mittelseite des Brenngasabführsammlerbildungsabschnitts 1b angeordnet sind.
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Die anodenseitige Platte enthält einen gewellten Stromerzeugungsbereich, der zur MEA weist, wenn die Komponenten der Brennstoffzelle zusammengesetzt sind. Die anodenseitige Platte hat auf ihrer zur MEA weisenden Oberfläche einen Brenngasfließfeldbildungsabschnitt 5, und an ihrer Oberfläche, die jener gegenüberliegt, wo der Brenngasfließfeldbildungsabschnitt 5 vorgesehen ist, einen Kühlmittelfließfeldbildungsabschnitt 6. Nuten des Kühlmittelfließfeldbildungsabschnitts 6 und Nuten des Brenngasfließfeldbildungsabschnitts 5 sind in der vertikalen Richtung abwechselnd ausgebildet.
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In der
JP 2006-216491 A ist ein Dichtungselement (nicht gezeigt), um eine Leckage von Brenngas von Sauerstoff-haltigem Gas und Kühlmittel zu verhindern (das heißt, um für Abdichtung zu sorgen), auf den Oberflächen der anodenseitigen Platte vorgesehen. Die Brenngaszuführlöcher
4a und die Brenngasabführlöcher
4b sind mit dem Brenngaszuführverteilerbildungsabschnitt
1a und dem Brenngasabführsammlerbildungsabschnitt
1b an einer Oberfläche der anodenseitigen Platte durch das Dichtungselement verbunden, und sind mit dem Brenngasfließfeldbildungsabschnitt
5 an der anderen Oberfläche der anodenseitigen Platte durch das Dichtungselement verbunden.
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Wenn nun Lücken zwischen dem Brenngaszuführloch 4a und dem Brenngasabführloch 4b an den untersten Positionen und unteren Abschnitten des Dichtungselements vorhanden sind, besteht die Tendenz, dass relativ große Wassermengen in unteren Abschnitten des Dichtungselements zurückgehalten werden. Daher ist für den glattgängigen Wasserfluss ein großer Differenzdruck erforderlich, was in einer Änderung der Strömungsrate des Brenngases resultiert. Infolgedessen wird die Stromerzeugungsstabilität schlechter. Falls ferner die Wassermenge, die an den Brenngaszuführlöchern 4a als stehendes Wasser verbleibt, groß ist, nimmt, wenn sich die Strömungsrate des Brenngases ändert, die in dem Stromerzeugungsbereich injizierte Wassermenge zu, wodurch die Stromerzeugungsstabilität schlechter wird. Wenn ferner die Temperatur niedrig ist, besteht die Tendenz, dass das stehende Wasser leicht gefriert, wodurch die Brennstoffzelle beschädigt werden könnte.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzelle mit einer einfachen und wirtschaftlichen Struktur anzugeben, mit der es möglich ist, das Stehenbleiben von Wasser an einer Position zu vermeiden, die einem Verbindungskanal benachbart ist, der ein Reaktionsgas-Fließfeld und einen Reaktionsgaskanal verbindet, um die Stromerzeugungsstabilität zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle angegeben, in der eine Membranelektrodenanordnung und Separatoren in horizontaler Richtung aufrecht aneinander gestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden und eine zwischen den Elektroden eingefügte Elektrolytmembran. In dem Separator sind ein Reaktionsgas-Fließfeld zum Leiten eines Reaktionsgases entlang einer Elektrodenoberfläche sowie ein Reaktionsgaskanal zum Leiten des Reaktionsgases in der Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung und des Separators ausgebildet.
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In der Brennstoffzelle ist ein Verbindungskanal vorgesehen, der das Reaktionsgas-Fließfeld und den Reaktionsgaskanal verbindet. Der Verbindungskanal weist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern auf, die sich durch den Separator hindurch erstrecken.
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Eine erste Kanaldichtung ist auf einer Oberfläche des Separators um den Reaktionsgaskanal und die Durchgangslöcher herum vorgesehen, und eine zweite Kanaldichtung ist auf der anderen Oberfläche des Separators um die Durchgangslöcher und das Reaktionsgas-Fließfeld herum vorgesehen. Die Durchgangslöcher sind in Schwerkraftrichtung angeordnet, wobei von den Durchgangslöchern das eine Durchgangsloch an der untersten Position eine nach unten langgestreckte Öffnung hat, deren Öffnungsfläche größer ist als die Öffnungsflächen der anderen Durchgangslöcher, die darüber und benachbart dem einen Durchgangsloch an der untersten Position angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß hat, von der Mehrzahl von in der Schwerkraftrichtung angeordneten Durchgangslöchern, ein Durchgangsloch an der untersten Position eine Öffnung, die nach unten langgestreckt ist, so dass es eine größere Öffnungsfläche hat als die Öffnungsflächen von anderen Durchgangslöchern darüber und benachbart dem Durchgangsloch an der untersten Position. In dieser Struktur wird der Raum, wo Wasser zurückgehalten wird, so weit wie möglich zwischen dem Durchgangsloch an der untersten Position und der ersten Kanaldichtung oder der zweiten Kanaldichtung minimiert. Da ferner die Öffnungsfläche des Durchgangslochs an der untersten Position groß ist, wird das Wasser leicht abgegeben, und wird die Gasströmungsrate stabilisiert.
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Somit wird mit einer einfachen und wirtschaftlichen Struktur verhindert, dass an der Position benachbart dem Verbindungskanal, der das Reaktionsgas-Fließfeld und den Reaktionsgaskanal verbindet, Wasser stehenbleibt, und es wird möglich, auf leichte Weise die Stromerzeugungsstabilität zu verbessern.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der Erfindung nur als illustratives Beispiel gezeigt ist.
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1 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführung;
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2 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle entlang Linie II-II von 1;
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3 ist eine Ansicht einer Oberfläche eines ersten Separators der Brennstoffzelle;
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4 ist eine Ansicht der anderen Oberfläche des ersten Separators;
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5 ist eine Ansicht eines Einlassverbindungskanals des ersten Separators;
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6 ist eine Ansicht eines Auslassverbindungskanals des ersten Separators; und
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7 ist eine Ansicht eines herkömmlichen Separators gemäß
JP 2006-216491 A .
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Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 10 gemäß einer in den 1 und 2 gezeigten Ausführung der Erfindung sind in der mit dem Pfeil A angegebenen horizontalen Richtung aufrecht aneinander gestapelt, zur Bildung eines Stapels (zum Beispiel eines in einem Fahrzeug angebrachten Brennstoffzellenstapels).
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Die Brennstoffzelle 10 ist gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung 12 zwischen einem ersten Separator 14 und einem zweiten Separator 16 aufgenommen ist. Der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 haben jeweils eine seitlich langgestreckte (oder längs langgestreckte) rechteckige Gestalt. Zum Beispiel werden der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 jeweils durch Pressen von Metallblech zu einer gewellten Blechform gepresst. Dieses Metallblech enthält Stahlbleche, rostfreie Stahlbleche, Aluminiumbleche, und plattierte Stahlbleche, und die Metallbleche können durch Oberflächenbehandlung antikorrosive Oberflächen haben. Alternativ können Kohlenstoffelemente als der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 verwendet werden.
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Die Membranelektrodenanordnung 12, welche eine rechteckige (oder quadratische) Gestalt hat, enthält eine Kathode 20, eine Anode 22 und eine Festpolymer-Elektrolytmembran 18, die zwischen der Kathode 20 und der Anode 22 eingefügt ist, wie in 2 gezeigt. Die Festpolymer-Elektrolytmembran 18 wird zum Beispiel gebildet, indem eine dünne Perfluorsulfonsäuremembran mit Wasser imprägniert wird. Als Festpolymer-Elektrolytmembran 18 kann auch ein Elektrolyt auf Fluorbasis verwendet werden. Alternativ könnte auch ein Elektrolyt auf KW(Kohlenwasserstoff)-Basis als die Festpolymer-Elektrolytmembran 18 verwendet werden.
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Die Kathode 20 enthält eine Elektrodenkatalysatorschicht 20a, die mit einer Oberfläche 18a der Festpolymer-Elektrolytmembran 18 verbunden ist, sowie eine erste Gasdiffusionsschicht 20b, die auf die erste Elektrodenkatalysatorschicht 20a gestapelt ist. Die Anode 22 enthält eine zweite Elektrodenkatalysatorschicht 22a, die mit der Oberfläche 18b der Festpolymer-Elektrolytmembran 18 verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht 22b, die auf die zweite Elektrodenkatalysatorschicht 22a gestapelt ist.
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Die erste Elektrodenkatalysatorschicht 20a und die zweite Elektrodenkatalysatorschicht 22a haben die gleichen Außenabmessungen. Die beiden Enden in Längsrichtung sind die Außenabmessungen der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a und der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a gleich der Außenabmessung der Festpolymer-Elektrolytmembran 18. An beiden Enden der seitlichen Richtung sind die Außenabmessungen der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a und der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a kleiner als die Außenabmessungen der Festpolymer-Elektrolytmembran 18 (siehe 1).
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Die Außengröße der ersten Gasdiffusionsschicht 20b ist gleich der Außengröße der Festpolymer-Elektrolytmembran 18 (siehe 2). An beiden Enden in Längsrichtung ist die Außengröße der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b gleich der Außengröße der Festpolymer-Elektrolytmembran 18. An beiden Enden in der seitlichen Richtung ist Außengröße der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b kleiner als die Außengrößen der Festpolymer-Elektrolytmembran 18 und der ersten Gasdiffusionsschicht 20b.
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Jede der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a und der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a wird wie folgt ausgebildet. Platinpartikeltragender Ruß bildet Katalysatorpartikel. Als ionenleitfähiges Bindemittel wird Polymerelektrolyt verwendet. Die Katalysatorpaste, die durch gleichmäßiges Mischen der Katalysatorpartikel in der Lösung dieses Polymerelektrolyts gebildet wird, wird auf beide Oberflächen 18a, 18b der Festpolymer-Elektrolytmembran 18 gedruckt, aufgetragen oder überführt, um die erste Elektrodenkatalysatorschicht 20a und die zweite Elektrodenkatalysatorschicht 22a zu bilden.
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Jede der ersten Gasdiffusionsschicht 20b und der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b wird gebildet, indem eine Unterschicht, die Ruß und PTFE(Polytetrafluorethylen)-Partikel enthält, auf die Katalysatorschicht des Kohlepapiers aufgetragen wird.
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Kunststoffelemente 24a, 24b werden integriert mit der Membranelektrodenanordnung 12 ausgebildet. Die Kunststoffelemente 24a, 24b werden integral mit den kurzen Seiten der Membranelektrodenanordnung 12 ausgebildet, zum Beispiel durch Schweißen, Kleben oder einstückiges Formen. Zum Beispiel ist jedes der Kunststoffelemente 24a, 24b aus PPS (Polyphenylensulfid), PPA (Polyphthalamid), PEN (Polyethylennaphtalat), PES (Polyethersulfon), LCP (Flüssigkristallpolymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid), Silikongummi, Fluorgummi oder EPDM-Gummi (Ethylenpropylendienmomoner) hergestellt.
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Wie in 1 gezeigt, hat das Kunststoffelement 24a auf seiner zum zweiten Separator 16 weisenden Oberfläche einen Einlasspuffer 26a, der der Einlassseite des Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfelds 42 entspricht, wie später beschrieben. Das Kunststoffelement 24b hat auf seiner zum zweiten Separator 16 weisenden Oberfläche einen Auslasspuffer 26b, der der Auslassseite des Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfelds 42 entspricht. Der Einlasspuffer 26a und der Auslasspuffer 26b sind durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen ausgebildet.
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Das Kunststoffelement 24a hat auf seiner zum ersten Separator 14 weisenden Oberfläche einen Einlasspuffer 21a, entsprechend der Einlassseite des Brenngas-Fließfelds 36, wie später beschrieben. Das Kunststoffelement 24b hat auf seiner zum ersten Separator 14 weisenden Oberfläche einen Auslasspuffer 28b entsprechend der Auslassseite des Brenngas-Fließfelds 36. Der Einlasspuffer 28a und der Auslasspuffer 28b sind durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen ausgebildet.
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Am einen Ende der Brennstoffzelle 10, in der mit Pfeil B angegebenen Längsrichtung, sind ein Sauerstoff-haltiges-Gas-Zufuhrkanal (Reaktionsgaskanal) 30a zum Zuführen von Sauerstoff-haltigem Gas sowie ein Brenngaszuführkanal (Reaktionsgaskanal) 32b zum Zuführen von Brenngas, wie etwa Wasserstoff-haltigem Gas, vorgesehen. Der Sauerstoff-haltiges-Gas-Zufuhrkanal 30a und der Brenngaszuführkanal 32a erstrecken sich in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung durch die Brennstoffzelle 10 hindurch.
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Am anderen Ende der Brennstoffzelle 10 in der Längsrichtung sind ein Brenngasabführkanal (Reaktionsgaskanal) 32b zum Abführen des Brenngases sowie ein Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal (Reaktionsgaskanal) 30b zum Abführen des Sauerstoff-haltigen Gases vorgesehen. Der Brenngasabführkanal 32b und der Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal 30b erstrecken sich in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung durch die Brennstoffzelle 10 hindurch.
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Am Oberende der Brennstoffzelle 10 in der mit dem Pfeil C angegebenen seitlichen Richtung ist ein Kühlmittelzuführkanal 34a zum Zuführen von Kühlmittel vorgesehen. Am Unterende der Brennstoffzelle 10 in der seitlichen Richtung ist ein Kühlmittelabführkanal 24b zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen. Der Kühlmittelzuführkanal 34a und der Kühlmittelabführkanal 34b erstrecken sich in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung durch die Brennstoffzelle.
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Wie in 3 gezeigt, hat der erste Separator 14 auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 12 weisenden Oberfläche 14a ein Brenngas-Fließfeld (Reaktionsgas-Fließfeld) 36. Das Brenngas-Fließfeld 36 ist mit dem Brenngaszuführkanal 32a und dem Brenngasabführkanal 32b verbunden.
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Das Brenngas-Fließfeld 36 enthält eine Mehrzahl von gewellten Fließnuten, die sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken. Am Einlass des Brenngas-Fließfelds 36 ist ein im Wesentlichen flacher Einlasspufferbereich 38a vorgesehen. Der Einlasspufferbereich 38a kontaktiert den Einlasspuffer 28a, der an dem Kunststoffelement 24a vorgesehen ist.
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Ein Ende des Einlasspufferbereichs 38a, das dem Brenngaszuführkanal 32a benachbart ist, ist mit einer Mehrzahl von Zuführlöchern (Durchgangslöchern) 40 verbunden. Die Zuführlöcher 40 sind in der Schwerkraftrichtung angeordnet, insbesondere in der Schwerkraftrichtung nach unten mit einer Neigung in Richtung von dem Brenngas-Fließfeld 36 weg. Die Zuführlöcher 40 sind parallel zur Neigung der Innenwandoberfläche des Brenngaszuführkanals 32a angeordnet. Das heißt, in dem Brenngaszuführkanal 32a ist die innere Wandoberfläche geneigt, um das Brenngas gleichmäßig in der Breitenrichtung des Brenngas-Fließfelds 36 zuzuführen, wie mit Pfeil C angegeben, und die Zuführlöcher 40 sind entlang der inneren Wandoberfläche vorgesehen.
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Von den Zuführlöchern hat das Zuführloch 40a an der untersten Position eine nach unten langgestreckte Öffnung, deren Öffnungsfläche größer ist als die Öffnungsflächen der anderen Zuführlöcher 40 darüber und benachbart dem Zufuhrloch 40a an der untersten Position. Insbesondere ist jedes der Zuführlöcher 40 kreisförmig, und das Zufuhrloch 40a hat eine ovale Form (elliptische Form). Bevorzugt hat das Zufuhrloch 40b an der untersten Position die gleiche Form (ovale Form oder elliptische Form) wie das Zufuhrloch 40a, um das Strömungsverteilungsgleichgewicht mit dem Zufuhrloch 40a gleichmäßig zu halten.
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Am Auslass des Brenngas-Fließfelds 36 ist ein im Wesentlichen flacher Auslasspufferbereich 38b vorgesehen. Der Auslasspufferbereich 38b kontaktiert den Auslasspuffer 38b, der an dem Kunststoffelement 24b vorgesehen ist. Ein Ende des Auslasspufferbereichs 38b, der dem Brenngasabführkanal 32b benachbart ist, ist mit einer Mehrzahl von Abführlöchern (Durchgangslöchern) 41 verbunden.
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Die Abführlöcher 41 sind in der Schwerkraftrichtung angeordnet, sind insbesondere in der Schwerkraftrichtung nach unten mit einer Neigung in Richtung näher zu dem Brenngas-Fließfeld hin angeordnet. Die Abführlöcher 34 sind parallel zur Neigung der inneren Wandoberfläche des Brenngasabführkanals 32b angeordnet. Das heißt, in dem Brenngasabführkanal 32b ist die innere Wandoberfläche geneigt, um das Brenngas in der mit dem Pfeil C angegebenen Breitenrichtung des Brenngas-Fließfelds 36 gleichmäßig abzuführen, und die Abführlöcher 41 sind entlang der inneren Wandoberfläche vorgesehen.
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Von den Abführlöchern 41 hat das Abführloch 41a an der untersten Position eine nach unten langgestreckte Öffnung, mit einer Öffnungsfläche, die größer ist als die Öffnungsflächen der anderen Abführlöcher 41 über und benachbart dem Abführloch 41a an der untersten Position. Insbesondere ist jedes der Abführlöcher 41 kreisförmig, und das Abführloch 41a hat eine ovale Form (elliptische Form). Das Abführloch 41b an der untersten Position hat die gleiche Form (ovale Form oder elliptische Form) wie das Abführloch 41a, um das Strömungsverteilungsgleichgewicht mit dem Abführloch 41a gleichmäßig zu halten.
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Wie in 1 gezeigt, hat der zweite Separator 16 an seiner zur Membranelektrodenanordnung 12 weisenden Oberfläche 16a ein Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld 42. Das Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld 42 ist mit dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführkanal 30a und dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal 30b verbunden. Das Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld 42 enthält eine Mehrzahl von gewellten Fließnuten, die sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken.
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Am Einlass des Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfelds 42 ist ein im Wesentlichen flacher Einlasspufferbereich 44a vorgesehen. Der Einlasspufferbereich 44a kontaktiert den Einlasspuffer 26a, der an dem Kunststoffelement 24a vorgesehen ist. Am Auslass des Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfelds 42 ist ein Auslasspufferbereich 44b vorgesehen. Der Auslasspufferbereich 44b kontaktiert den Auslasspuffer 26b, der am Unterende des Kunststoffelements 24b vorgesehen ist.
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Ein Kühlmittel-Fließfeld 46 ist zwischen der Oberfläche 14b des ersten Separators und der Oberfläche 16b des zweiten Separators 16 vorgesehen, die einander benachbart sind. Das Kühlmittel-Fließfeld 46 erstreckt sich in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung, um den Kühlmittelzuführkanal 34a mit dem Kühlmittelabführkanal 34b zu verbinden.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein erstes Dichtungselement 50 einstückig mit den Oberflächen 14a, 14b des ersten Separators 14 ausgebildet, so dass es sich entlang dem Außenumfangsende des ersten Separators 14 erstreckt. Ein zweites Dichtungselement 52 ist einstückig mit den Oberflächen 16a, 16b des zweiten Separators 16 ausgebildet, so dass sie sich entlang dem Außenumfangsende des zweiten Separators 16 erstreckt.
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Das erste Dichtungselement 50 und das zweite Dichtungselement 52 umfassen jeweils ein elastisches Dichtungselement, das aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial oder Packungsmaterial hergestellt ist, wie etwa EPDM, NBR (Nitrilbutadiengummi), Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi, Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi oder Acrylgummi.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind auf den Oberflächen 14a, 14b des ersten Separators 14 vorgesehen ein Einlassverbindungskanal 54, der das Brenngas-Fließfeld 36 und den Brenngaszuführkanal 32a verbindet, sowie ein Auslassverbindungskanal 56, der das Brenngas-Fließfeld 36 und den Brenngasabführkanal 32b verbindet.
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Der Einlassverbindungskanal 54 enthält eine Mehrzahl von Zuführlöchern 40, 40a und 40b (nachfolgend einfach als Zuführlöcher 40 bezeichnet). Wie in 4 gezeigt, ist eine erste Kanaldichtung 40aa als Teil des ersten Dichtungselements 50 auf der Oberfläche 14b des ersten Separators 14 um den Brenngaszuführkanal 32a und die Zuführlöcher 40 herum vorgesehen.
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Wie in 3 gezeigt, ist eine zweite Kanaldichtung 50ba als Teil des ersten Dichtungselements 50 auf der Oberfläche 14a des ersten Separators 14 um die Zuführlöcher 40 und das Brenngas-Fließfeld 36 herum vorgesehen. Die erste Kanaldichtung 50aa, die Zuführlöcher 40 und die zweite Kanaldichtung 50ba bilden den Einlassverbindungskanal 54.
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In dem Einlassverbindungskanal 54 steht, wie in 4 gezeigt, die erste Kanaldichtung 50aa an einer Position unterhalb und benachbart des untersten Zuführlochs 40a nach unten vor, um eine Vertiefung 58a zu bilden, und das untere Ende der ersten Kanaldichtung 50aa ist zu dem Brenngas-Fließfeld 36 hin nach unten geneigt.
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Der Einlassverbindungskanal 54 enthält einen ersten Kanalabschnitt 54a und einen zweiten Kanalabschnitt 54b. Der erste Kanalabschnitt 54a wird durch Ausschneiden des ersten Dichtungselements 50 gebildet, und ist auf der Oberfläche 14b des ersten Separators 14 vorgesehen. Ein Ende des ersten Kanalabschnitts 54a ist mit dem Brenngaszuführkanal 32a verbunden, und das andere Ende des ersten Kanalabschnitts 54a ist mit den Zuführlöchern 40 verbunden. Ein Ende des zweiten Kanalabschnitts 54b ist mit dem Brenngas-Fließfeld 36 verbunden, und das andere Ende des zweiten Kanalabschnitts 54b ist mit den Zuführlöchern 40 verbunden. Der erste Kanalabschnitt 54a und der zweite Kanalabschnitt 54b sind von der horizontalen Richtung zu dem Brenngas-Fließfeld 36 hin nach unten geneigt.
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Der Auslassverbindungskanal 56 enthält eine Mehrzahl von Abführlöchern 41, 41a und 41b (nachfolgend einfach als Abführlöcher 41 bezeichnet). Wie in 4 gezeigt, ist eine erste Kanaldichtung 50ab als Teil des ersten Dichtungselements 50 auf der Oberfläche 14b des ersten Separators 14 um den Brenngasabführkanal 32b und die Abführlöcher 41 herum vorgesehen.
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Wie in 3 gezeigt, ist eine zweite Kanaldichtung 50bb als Teil des ersten Dichtungselements 50 auf der Oberfläche 14a des ersten Separators 14 um die Abführlöcher 41 und das Brenngas-Fließfeld 36 herum vorgesehen. Die erste Kanaldichtung 50ab, die Abführlöcher 41 und die zweite Kanaldichtung 50bb bilden den Auslassverbindungskanal 56.
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Wie in 3 gezeigt, steht in dem Auslassverbindungskanal 56 die zweite Kanaldichtung 50bb an einer Position unterhalb und benachbart des untersten Abführlochs 41a nach unten vor, um eine Vertiefung 58b zu bilden, und das untere Ende der zweiten Kanaldichtung 50bb ist zu dem Brenngas-Fließfeld 36 hin aufwärts geneigt.
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Der Auslassverbindungskanal 56 enthält einen ersten Kanalabschnitt 56a und einen zweiten Kanalabschnitt 56b. Der erste Kanalabschnitt 56a wird durch Ausschneiden des ersten Dichtungselements 50 gebildet, und ist an der Oberfläche 14b des ersten Separators 14 vorgesehen. Ein Ende des ersten Kanalabschnitts 56a ist mit dem Brenngasabführkanal 32b verbunden, und das andere Ende des ersten Kanalabschnitts 56a ist mit den Abführlöchern 51 verbunden. Ein Ende des zweiten Kanalabschnitts 56b ist mit dem Brenngas-Fließfeld 36 verbunden, und das andere Ende des zweiten Kanalabschnitts 56b ist mit den Abführlöchern 41 verbunden. Der erste Kanalabschnitt 56a und der zweite Kanalabschnitt 56b sind von der horizontalen Richtung zu dem Brenngas-Fließfeld 36 hin aufwärts geneigt.
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Nachfolgend wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
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Zuerst wird, wie in 1 gezeigt, ein Sauerstoff-haltiges Gas dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführkanal 30a zugeführt, und ein Brenngas, wie etwa Wasserstoff-haltiges Gas, wird dem Brenngaszuführkanal 32a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol, Öl, oder dergleichen, dem Kühlmittelzuführkanal 34a zugeführt.
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Somit fließt das Sauerstoff-haltige Gas von dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführkanal 30a und das Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld 42 des zweiten Separators 16. Das Sauerstoff-haltige Gas bewegt sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, und das Sauerstoff-haltige Gas wird der Kathode 20 der Membranelektrodenanordnung 12 zugeführt, um an der Kathode 20 eine elektrochemische Reaktion zu induzieren.
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Unterdessen fließt das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 32a durch den ersten Kanalabschnitt 54a, die Zuführlöcher 40a, den zweiten Kanalabschnitt 54b des ersten Separators 14, das heißt, durch den Einlassverbindungskanal 54, und das Brenngas wird in das Brenngas-Fließfeld 36 geleitet. Das Brenngas bewegt sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang dem Brenngas-Fließfeld 36, und das Brenngas wird der Anode 22 der Membranelektrodenanordnung 12 zugeführt, um an der Anode 22 eine elektrochemische Reaktion zu induzieren.
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Somit werden in jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 das der Kathode 20 zugeführte Sauerstoff-haltige Gas und das der Anode 22 zugeführte Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten der Kathode 20 und der Anode 22 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
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Dann wird das an der Kathode 20 verbrauchte Sauerstoff-haltige Gas entlang dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal 30b in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung abgeführt. Ebenso fließt das an der Anode 22 verbrauchte Brenngas durch den zweiten Kanalabschnitt 56b, die Abführlöcher 41 und den ersten Kanalabschnitt 56a, das heißt, durch den Auslassverbindungskanal 56, und in dem Brenngasabführkanal 32b. Dann wird das Brenngas durch den Brenngasabführkanal 32b abgeführt.
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Ferner fließt das im Kühlmittelzuführkanal 34a zugeführte Kühlmittel in das Kühlmittel-Fließfeld 46 zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16, und dann fließt das Kühlmittel in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel die Membranelektrodenanordnung 12 gekühlt hat, wird das Kühlmittel durch den Kühlmittelabführkanal 34b abgeführt.
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Wie in 5 gezeigt, ist die erste Kanaldichtung 50aa um den Brenngaszuführkanal 32a und die Zuführlöcher 40 herum vorgesehen, und die erste Kanaldichtung 50aa bildet die Vertiefung 58a an einer Position unterhalb und benachbart dem untersten Zuführloch 40a. In dieser Struktur besteht die Tendenz, dass das Wasser W in der Vertiefung 58a zurückgehalten wird.
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In der Ausführung der vorliegenden Erfindung hat das Zuführloch 40a an der untersten Position eine nach unten langgestreckte Öffnung, deren Öffnungsfläche größer ist als die Öffnungsflächen der anderen Zuführlöcher 40. Insbesondere sind die Zuführlöcher 40 kreisförmig, und das Zufuhrloch 40a hat die ovale (oder elliptische) Form.
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Daher ist der Wasserpegel in der Vertiefung 58a viel tiefer als in dem Fall, wo das Zuführloch 40 an der untersten Position kreisförmig ist. Somit wird der Raum, wo in der Vertiefung 58a Wasser stehenbleiben könnte, so weit wie möglich reduziert. Ferner ist die Öffnungsfläche des Zuführlochs 40a an der untersten Position größer als die Öffnungsflächen der anderen Zuführlöcher 40. In dieser Struktur wird das Wasser glattgängig abgegeben, und wird die Strömungsrate des Brenngases stabilisiert.
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Demzufolge wird es mit einer einfachen und wirtschaftlichen Struktur möglich, das Stehenbleiben von Wasser an einer Position benachbart dem Einlassverbindungskanal 54 zu vermeiden, der das Brenngas-Fließfeld 36 und den Brenngaszuführkanal 32a verbindet, und es wird auf leichte Weise möglich, die Stromerzeugungsstabilität zu verbessern.
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Ferner ist, wie in 6 gezeigt, die zweite Kanaldichtung 50bb um die Abführlöcher 41 und das Brenngas-Fließfeld 36 herum vorgesehen, und die zweite Kanaldichtung 50bb bildet die Vertiefung 58b an einer Position unterhalb und benachbart dem untersten Abführloch 41a. In dieser Struktur besteht die Tendenz, dass das Wasser W leicht in der Vertiefung 58b zurückgehalten wird.
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In der Ausführung der vorliegenden Erfindung hat das Abführloch 41a an der untersten Position eine nach unten langgestreckte Öffnung, deren Öffnungsfläche größer ist als die Öffnungsflächen der andere Abführlöcher 41. Insbesondere sind die Abführlöcher 41 kreisförmig, und das Abführloch 41a hat die ovale (oder elliptische) Form.
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Daher ist der Wasserpegel in der Vertiefung 58b viel tiefer als in dem Fall, wo das Abführloch 41 an der untersten Position kreisförmig ist. Das heißt, der Raum wo Wasser in der Vertiefung 58b stehenbleiben könnte, ist so weit wie möglich reduziert. Ferner ist die Öffnungsfläche des Abführlochs 41a an der untersten Position größer als die Öffnungsflächen der anderen Abführlöcher 41. In der Struktur wird das Wasser glattgängig abgegeben und wird die Strömungsrate des Brenngases stabilisiert.
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Demzufolge wird es mit einer einfachen und wirtschaftlichen Struktur möglich, das Stehenbleiben von Wasser an einer Position benachbart dem Auslassverbindungskanal 56 zu vermeiden, der das Brenngas-Fließfeld 36 und den Brenngasabführkanal 32b verbindet, und es wird auf leichte Weise möglich, die Stromerzeugungsstabilität zu verbessern.
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In der Ausführung der vorliegenden Erfindung sind der Einlassverbindungskanal 54 und der Auslassverbindungskanal 56 jeweils zwischen dem Brenngas-Fließfeld 36 und dem Brenngaszuführkanal 32a vorgesehen, sowie zwischen dem Brenngas-Fließfeld und dem Brenngasabführkanal 32b. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt.
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Zum Beispiel könnten der Einlassverbindungskanal 54 und der Auslassverbindungskanal 56 auch jeweils zwischen dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld 42 und dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführkanal 30a vorgesehen sein, sowie zwischen dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld 42 und dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal 30b.
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Eine Brennstoffzelle (10) wird gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung (12) zwischen einem ersten Separator (14) und einem zweiten Separator (16) aufgenommen wird. In dem ersten Separator (14) ist ein Auslassverbindungskanal (56) vorgesehen, der ein Brenngas-Fließfeld (36) mit einem Brenngasabführkanal (32b) verbindet. Der Auslassverbindungskanal (56) hat eine Mehrzahl von Abführlöchern (41), die sich durch den ersten Separator (14) hindurch erstrecken. Die Abführlöcher (41) sind in der Schwerkraftrichtung angeordnet. Das Abführloch (41a) an der untersten Position hat eine nach unten langgestreckte Öffnung, deren Öffnungsfläche größer ist als die Öffnungsflächen der anderen Abführlöcher (41) oberhalb und benachbart dem Abführloch (41a) an der untersten Position.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006-216491 A [0006, 0009, 0024]
