DE102015002500A1

DE102015002500A1 - Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015002500A1
Application number: DE102015002500.7A
Authority: DE
Inventors: c/o Panasonic Corporation Yoshimura Mitsuo; c/o Panasonic Corporation Taguchi Yoshifumi; c/o Panasonic Corporation Yamamoto Yoko; c/o Panasonic Production Engi Kuniyoshi Kozue
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-09-10
Also published as: JP2015170398A

Abstract

[Aufgabe] Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die der Membranverschlechterung durch direkte Berührung von Gasen mit einer Polymerelektrolytmembran nicht unterworfen wird und sich in der Haltbarkeit auszeichnet, wird zur Verfügung gestellt, indem an einem Zellmodul aus einer in ein Paar Separatoren über Dichtelemente eingeklemmten Membran-Elektrode-Einheit Nebendichtungen derart angeordnet werden, dass beim Klemmen der auf die Haltbarkeit einwirkenden Polymerelektrolytmembran zwischen den Rahmenkörpern der Spalt nicht mehr geöffnet wird, um die Polymerelektrolytmembran zu schützen, wobei die Spanndruck auch durch die Anordnung zusätzlicher Nebendichtungen nicht zunimmt. [Mittel zum Lösen der Aufgabe] Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die der Membranverschlechterung durch direkte Berührung von Gasen mit einer Polymerelektrolytmembran nicht unterworfen wird und sich in der Haltbarkeit auszeichnet, kann realisiert werden, indem zwischen den Hauptdichtungen 7A und der Stromerzeugungszone-seitigen Ende der Rahmenkörper Nebendichtungen 7B mit kleiner Gegenkraft angeordnet werden, damit beim Klemmen und Stützen der MEA 5 zwischen zwei Rahmenkörpern, wie in Figur dargestellt, der Spalt nicht mehr geöffnet wird.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, insbesondere eine Struktur einer Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit einer Brennstoffzelle.
[Stand der Technik]
Bei einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (im nachstehenden ggf. als „PEFC” bezeichnet) handelt es sich um eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme durch elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffgases mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelgas, wie Luft.
Im Prinzip besteht die PEFC aus einer Polymerelektrolytmembran und einer Anoden- sowie Kathodenelektrode, die an beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran gebildet sind. Diese Elektroden weisen jeweils eine an der Oberfläche der Polymerelektrolytmembran gebildete Katalysatorschicht und eine an der Außenseite dieser Katalysatorschicht angeordnete Gasdiffusionsschicht (GDL) mit einer Gasdurchlässigkeit und Elektronenleitfähigkeit auf. Dieser Aufbau aus der Polymerelektrolytmembran und den mit ihr einteilig verbundenen Elektroden wird als Membran-Elektrode-Einheit (MEA: Membrane Elektrode Assembly) bezeichnet.
Am Außenrand der MEA ist ein Rahmen angepasst und bildet eine Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit. An beiden Seiten der MEA sind elektrisch leitende Separatoren angeordnet, um die MEA durch Klemmen zu fixieren und benachbarte MEA elektrisch miteinander in Reihe zu schalten. An dem mit der MEA in Berührung kommenden Teil der Separatoren sind Gasströmungskanäle zum Zuführen von Reaktionsgasen zu den einzelnen Elektroden und zum Abtransportieren von erzeugtem Wasser und überschüssigen Gasen gebildet. Diese Struktur aus der in ein Paar Separatoren eingeklemmten MEA wird ein Einzelzellmodul (Zelle) genannt.
Zur Zuführung der Reaktionsgase zu den Gasströmungskanälen sind am Rand der Separatoren Verteilerbohrungen vorgesehen, durch die die Reaktionsgase verteilt werden. Zudem sind zwischen den beiden Separatoren Verschlusselemente (Dichtelemente) derart angeordnet, dass sie den Außenumfang des Elektrode-bildenden Teils der MEA, d. h. den Außenumfang des Stromerzeugungsbereichs umgeben, um den Austritt der den Gasströmungskanälen zugeführten Reaktionsgase usw. nach außen oder das Mischen von ihnen zu verhindern.
Nun ist eine wichtige Aufgabe bei der PEFC die Erhöhung der Nutzungseffizienz der Gase. Unter Faktoren, die die Nutzungseffizienz senken, fallen Cross Leak der Gase, External Leak der Gase und Shortcut der Gase.
Konkret bedeutet das Cross Leak folgende Zustände, die die Senkung der Nutzungseffizienz der Gase, die Senkung der PEFC-Effizienz (Stromerzeugungseffizienz) und daneben die Verschlechterung der Membran verursachen.

1) An der MEA werden Bohrungen geöffnet.
2) Das anodenseitige Brennstoffgas strömt entlang der Oberfläche der MEA und geht über das Ende der MEA nach der Kathodenseite hinein.
3) Das kathodenseitige Oxidationsmittelgas strömt entlang der Oberfläche der MEA und geht über das Ende der MEA nach der Anodenseite hinein.

Das External Leak der Gase bedeutet, dass wegen der Probleme der Unebenheiten der mit Verschlussdichtungen in Berührung kommenden Flächen bzw. der Überbrückung verschiedener Materialien usw. die Dichtungseigenschaft nicht aufrechterhalten werden kann, wobei durch den Gasaustritt die Nutzungseffizienz und damit die PEFC-Effizienz (Stromerzeugungseffizienz) gesenkt werden.
In Bezug auf das Shortcut werden aus dem Grund der verarbeitungsprozesstechnischen Beschränkung usw. Spalte zwischen dem Innenrand des Dichtelements und dem Außenrand der Elektrodenschicht der MEA ggf. gebildet.
Falls solche Spalte vorhanden sind, treten das Brennstoffgas und das Oxidationsmittelgas beim PEFC-Betrieb in die Spalte ein und werden weiter nach außen abgelassen, während die MEA dem austretenden Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas kaum ausgesetzt wird. Deshalb wird die Nutzungseffizienz des Brennstoffgases und Oxidationsmittelgases gesenkt, was die Senkung der PEFC-Effizienz (Stromerzeugungseffizienz) bewirkt.
In den letzten Jahren wird entsprechend der Kostenreduktion ein Spritzgussprozess häufiger verwendet. Wird die MEA einem direkten Spritzguss unterworfen, wird eine zu große Last von Wärme und Druck gegeben und somit Bohrungen geöffnet, was auf die Lebensdauer der MEA einwirkt und auch die Verringerung der Haltbarkeit verursacht.
Zum Lösen dieser Probleme ist für Elektrode-Membran-Rahmen-Einheiten bisheriger Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen die Struktur offenbart, durch die die obengenannten Probleme gelöst und das durch direkten Spritzguss der MEA gegebene, zu große Last von Wärme und Druck reduziert wird, indem die MEA mit einem Rahmen zum Stützen der MEA und elastischen Dichtungsmaterialien kombiniert oder durch ein Zweifarben-Formverfahren usw. integriert kombiniert wird, um ein MEA-integriertes Produkt zu bilden (siehe z. B. Patentliteraturen 1 und 2).
15 zeigt eine Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit einer bisherigen Brennstoffzelle gemäß Patentliteratur 1. 15 entspricht der 4 der Patentliteratur 1.
Zur Unterscheidung von den Bezugszeichen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Symbol „'” hinzugefügt. Die Bauteile im oberen Bereich gemäß 15 sind in kleinen Abständen dargestellt, damit sie leicht erkannt werden können.
Die Einheit gemäß Patentliteratur 1 hat eine Struktur, bei der ein erster Rahmenkörper 6A' und ein zweiter Rahmenkörper 6B' befindlich sind, zwischen denen ein Abschnitt einer Polymerelektrolytmembran 5A', an dem die Katalysatorschicht 5B nicht angeordnet ist, geklemmt ist, wobei der Abschnitt der Polymerelektrolytmembran 5A', an dem die Katalysatorschicht 5B nicht angeordnet ist, zwischen GDL und dem Rahmenkörper durch Verschlusselemente für die Membran abgedichtet ist.
Eine Zelle 10' ist ausgebildet, indem das MEA-integrierte Produkt zwischen einem Anodenseparator 2' und einem Kathodenseparator 3' geklemmt wird. Am ersten Rahmenkörper 6A' ist auf der an der Polymerelektrolytmembran 5A' anliegenden Seite Verschlusselemente (Hauptdichtungen 7A') für die Membran vorgesehen, um das Cross Leak zu verhindern. Zudem ist eine Struktur vorgeschlagen, bei der Verschlusselemente 7D' für die Separatoren vorgesehen sind, um den Raum zwischen dem ersten Rahmenkörper 6A' und dem Anodenseparator 2' bzw. Kathodenseparator 3' zu verschließen.
16 zeigt einen teilweise vergrößerten Schnitt einer bisherigen Brennstoffzelle gemäß Patentliteratur 2. 16 entspricht der 2 der Patentliteratur 2. Zur Unterscheidung von den Bezugszeichen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Symbol „'” hinzugefügt.
Bei der Struktur gemäß Patentliteratur 2 ist der Außenrand 5Ba' der Katalysatorschicht derart vorgesehen, dass er an der Außenseite von dem Außenrand 5Ca' der GDL 5C' und an der Innenseite von der Mitte des Dichtelements (Hauptdichtung 7A') liegt. Zudem ist auch eine Struktur offenbart, bei der zwischen dem Dichtelement (Hauptdichtung 7A') und dem Ende des Stromerzeugungsbereichs ein Abstand besteht, der um zwei- oder mehrfach größer als die Dicke des Dichtelements (Hauptdichtung 7A') ist.
17 zeigt einen teilweise vergrößerten Schnitt, der die Struktur der Brennstoffzelle nach der 8. Ausführungsform gemäß Patentliteratur 2 schematisch darstellt. 17 entspricht der 11 der Patentliteratur 2. Zur Unterscheidung von den Bezugszeichen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Symbol „'” hinzugefügt.
In Patentliteratur 2 ist offenbart, dass der erste Rahmenkörper 6A, der zweite Rahmenkörper 6B und die Separatoren 2', 3' mittels eines Klebers 40 fixiert werden, damit sie aneinanderhaften, wie in 17 dargestellt.
[Literatur des Standes der Technik]
[Patentliteratur]

[Patentliteratur 1] JP 2009-021217 A
[Patentliteratur 2] JP 5302481 B

[Übersicht der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe]
Gemäß Patentliteratur 1 ist jedoch in dem mit dem Rahmenkörper in Berührung stehenden Bereich keine Katalysatorschicht vorhanden. Zwischen dem Rahmenkörper direkt unter dem Dichtelement und der Polymerelektrolytmembran besteht ein elastischer Körper, durch den zwischen dem Rahmenkörper und der Polymerelektrolytmembran ein Spalt gebildet wird. Deshalb entsteht das Problem, dass die direkte Berührung der Gase mit der Polymerelektrolytmembran eine Membranverschlechterung bewirkt, was zur beachtlichen Verringerung der Haltbarkeit führt.
In Patentliteratur 2 ist offenbart, dass der Außenrand der Katalysatorschicht zwischen dem Dichtelement und dem Ende des Stromerzeugungsbereichs liegt und der Abstand um zwei- oder mehrfach größer als die Dicke des Dichtelements ist. Ferner ist auch die Technik offenbart, bei der in diesem Abstand die Rahmenkörper und die Separatoren mittels eines Klebers fixiert werden, damit die Rahmenkörper und die Separatoren aneinanderhaften. Dadurch wird die Gegenkraft des Dichtelements zur Verhinderung von External Leak bzw. Cross Leak der Gase vergrößert und damit die Elektrodenseite der Rahmenkörper geöffnet.
Da die Rahmenkörper über den Kleber durch die Separatoren gezogen werden, wird zwischen den Rahmenkörpern und der Polymerelektrolytmembran ein Spalt gebildet, wobei das Problem entsteht, dass die direkte Berührung der Gase mit der Polymerelektrolytmembran die Membranverschlechterung bewirkt, was zur beachtlichen Verringerung der Haltbarkeit führt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die bisherige Aufgabe zu lösen und eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die der Membranverschlechterung durch direkte Berührung der Gase mit der Polymerelektrolytmembran nicht unterworfen wird und sich in der Haltbarkeit auszeichnet, zur Verfügung zu stellen, indem die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle durch eine einfache Dichtungsform von Spalten zwischen den Rahmenkörpern und der Polymerelektrolytmembran befreit wird, ohne dass der Spanndruck des Brennstoffzellmoduls erhöht wird.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe]
Die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle hat folgende Merkmale:

(1) sie weist eine Polymerelektrolytmembran, Katalysatorschichten, die an jeder Oberfläche der Polymerelektrolytmembran vorgesehen sind, Gasdiffusionsschichten, die an der Oberfläche der Katalysatorschichten vorgesehen sind, ein Paar Rahmenkörper, die den Außenumfang der Polymerelektrolytmembran einklemmend vorgesehen sind, und ein Paar Separatoren, die auf den Gasdiffusionsschichten vorgesehen sind, auf und ist mit
(2) Hauptdichtungen, die an der der Polymerelektrolytmembran zugewandten Oberfläche der Separatoren und an der Außenseite von der Gasdiffusionsschicht angeordnet und ringförmig vorgesehen sind, und Nebendichtungen, die an der Außenseite von dem Innenrand der Rahmenkörper und an der Innenseite von der Mitte der Hauptdichtungen vorgesehen sind, versehen.

[Effekt der Erfindung]
Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung durch die einfache Dichtungsform der erfindungsgemäßen Struktur von Spalten zwischen den Rahmenkörpern und der Polymerelektrolytmembran ohne Erhöhung des Spanndrucks befreien und somit eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zur Verfügung stellen, bei der die Membranverschlechterung der Polymerelektrolytmembran unterdrückt wird und die Haltbarkeit ausgezeichnet ist.
[Kurze Erläuterung der Zeichnungen]
Im Folgenden wird die Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine teilweise zerlegte, perspektive Ansicht einer schematischen Struktur einer Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform
2 eine Vorderansicht der die Zelle gemäß 1 ausbildenden Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, gesehen von der Anodenseparator-seitigen Oberfläche
3 eine Vorderansicht der die Zelle gemäß 1 ausbildenden Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, gesehen von der Kathodenseparator-seitigen Oberfläche
4 einen teilweise zerlegten Schnitt längs dem Pfeil A-A der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit gemäß 2
5 einen teilweise zerlegten Schnitt längs dem Pfeil B-B der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit gemäß 2
6 eine Vorderansicht des Anodenseparators gemäß 1 nach Ausführungsform 1, gesehen von der anodenseitigen Oberfläche
7 eine Vorderansicht des Kathodenseparators gemäß 1 nach Ausführungsform 1, gesehen von der kathodenseitigen Oberfläche
8 einen Teilschnitt längs dem Pfeil C-C gemäß 6 nach Ausführungsform 1
9 eine Vorderansicht des Anodenseparators gemäß 1 nach Ausführungsform 2, gesehen von der anodenseitigen Oberfläche
10 einen Teilschnitt längs dem Pfeil D-D gemäß 9 nach Ausführungsform 2
11 einen Teilschnitt längs dem Pfeil E-E gemäß 9 nach Ausführungsform 2
12 einen Teilschnitt längs dem Pfeil E'-E' gemäß 9 nach Ausführungsform 2
13 eine Vorderansicht des Kathodenseparators gemäß 1 nach Ausführungsform 2, gesehen von der kathodenseitigen Oberfläche
14 einen Schnitt durch die Zelle 10 längs dem Pfeil F-F der Vorderansicht der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß 2 nach Ausführungsform 2, gesehen von der Anodenseparator-seitigen Oberfläche
15 eine Ansicht, die die Ausführungsform 1 einer Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit einer bisherigen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß Patentliteratur 1 darstellt
16 einen teilweise vergrößerten Schnitt einer bisherigen Brennstoffzelle gemäß Patentliteratur 2
17 einen teilweise vergrößerten Schnitt, der die Struktur einer Brennstoffzelle gemäß der 8. Ausführungsform der Patentliteratur 2 schematisch darstellt
[Ausführungsform der Erfindung]
(Ausführungsform 1)
1 zeigt eine teilweise zerlegte, perspektive Ansicht, die die Struktur der PEFC nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform 1 schematisch darstellt.
2 ist eine Vorderansicht der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1, gesehen von der Seite des Anodenseparators 2, und 3 eine Vorderansicht der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1, gesehen von der Seite des Kathodenseparators 3. 4 zeigt einen Teilschnitt längs dem Pfeil A-A gemäß 2, und 5 einen Schnitt längs dem Pfeil B-B gemäß 2. In 4 und 5 ist die rechte Hälfte etwas zerlegt dargestellt.
Die nachfolgenden Figuren stellen Ansichten der Separatorteile dar, die die Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 von der Anodenseite und Kathodenseite einklemmen. D. h. 6 ist eine Vorderansicht des Anodenseparators gemäß 1, gesehen von der anodenseitigen Oberfläche, und zeigt den Fall, in dem Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B integriert sind.
7 ist eine Vorderansicht des Kathodenseparators gemäß 1, gesehen von der kathodenseitigen Oberfläche, und zeigt den Fall, in dem Hauptdichtungen 7A und Nebendichtung 7B integriert sind.
Wie in 1 dargestellt, besteht eine PEFC 100 aus mehreren gestapelten Zellen (Zellmodule) 10. An den äußersten Zellen 10 an den beiden Enden der mehreren gestapelten Zellen 10 sind jeweils ein Stromabnehmer, eine Isolierplatte und eine Endplatte angebracht, welche jedoch nicht dargestellt sind. Die mehreren Zellen 10 sind von den beiden Seiten mit Hilfe von durch Bolzenlöcher 4 hindurch geführten Spannbolzen und Muttern (beide nicht dargestellt) gespannt.
Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform 1 sind 60 Zellen 10 gestapelt und mit Hilfe der durch Bolzenlöcher 4 hindurch geführten Bolzen und Muttern mit einer Einspannkraft von 10 kN gespannt. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform 1 ist die Struktur aus mehreren gestapelten Zellen 10 erläutert, aber es ist auch möglich, die PEFC aus einer Zelle auszubilden.
Die Zelle 10 ist aus einer Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 ausgebildet, die in ein Paar elektrisch leitender Separatoren, d. h. Anodenseparator 2 und Kathodenseparator 3, eingeklemmt ist. Konkret wird die Zelle 10 ausgebildet, indem der am peripheren Teil der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 gelegte Rahmenkörper 6 an den beiden Seiten über an diesen beiden Seiten angeordnete Dichtelemente (Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B) als ein Beispiel von Verschlusselementen in das Paar Separatoren 2, 3 eingeklemmt wird (s. 4 und 5).
Dadurch wird eine Diffusionsschicht 5C (s. 4) einer Membran-Elektrode-Einheit (MEA) 5, die eine Einheit aus Elektrode und Elektrolytmembran ist, an die Oberfläche der Separatoren 2, 3 angelegt, wobei der an der Diffusionsschicht anliegende Teil 21A von Brennstoffgasströmungskanälen 21 des Anodenseparators 2, der an der Diffusionsschicht anliegende Teil 31A von Oxidationsmittelgasströmungskanälen 31 des Kathodenseparators 3 und die einzelnen Diffusionsschichten 5C den Brennstoffgasströmungsweg und Oxidationsmittelgasströmungsweg begrenzen.
Dadurch kommt das Brennstoffgas, das durch den an der Diffusionsschicht anliegenden Teil 21A durchströmt, mit der Diffusionsschicht 5C an der Seite des Anodenseparators 2 in Berührung und bewirkt die elektrochemische Reaktion der PEFC 100. Bei den gestapelten Zellen 10 werden die benachbarten MEA 5 elektrisch miteinander in Reihe oder parallel geschaltet. An den Separatoren 2, 3 und den Rahmenkörpern 6 am peripheren Teil der Elektrode-Membran-Einheit 1 sind Paare Durchgangsbohrungen für den Durchgang des Brennstoffgases und Oxidationsmittelgases, d. h. Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 12, 22, 32 und Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 13, 23, 33, jeweils vorgesehen. An den Zellen 10 im gestapelten Zustand sind diese Durchgangsbohrungen gestapelt und bilden Brennstoffgasverteiler und Oxidationsmittelgasverteiler.
Wie oben erwähnt, sind auf der Hauptfläche an der Innenseite des Anodenseparators 2 die Brennstoffgasströmungskanäle 21 derart vorgesehen, dass sie die paarweise angeordneten Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 22, 22 miteinander verbinden. Auf der Hauptfläche an der Innenseite des Kathodenseparators 3 sind die Oxidationsmittelgasströmungskanäle 31 derart gebildet, dass sie die paarweise angeordneten Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 33 miteinander verbinden. D. h. die Strömungskanäle 21, 31 sind derart ausgebildet, dass das Oxidationsmittelgas und das Brennstoffgas jeweils von dem einen Verteiler, also von dem zufuhrseitigen Verteiler, in die Strömungskanäle 21, 31 abgezweigt werden und jeweils in den anderen Verteiler, also in den ablassseitigen Verteiler, einströmen.
Die Brennstoffgasströmungskanäle 21 weisen einen an der Diffusionsschicht anliegenden Teil 21A, gebildet an dem Oberflächenteil, der im montierten Zustand der Zellen 10 an der Diffusionsschicht 5C anliegt, und ein Paar Verbindungsteile 21B auf, die als Verbindungsströmungskanäle dienen. Die Verbindungsteile 21B sind gebildet, um den an der Diffusionsschicht 5C anliegenden Teil an dem dem Umfang der Diffusionsschicht 5C gegenüberliegenden Teil anzuschließen.
Ebenfalls weisen die Oxidationsmittelgasströmungskanäle 31 einen an Diffusionsschicht anliegenden Teil 31A, gebildet an dem Oberflächenteil, der im montierten Zustand der Zellen 10 an der Diffusionsschicht 5C anliegt, und ein Paar Verbindungsteile 31B auf, die als Verbindungsströmungskanäle dienen. Die Verbindungsteile 31B sind gebildet, um den an der Diffusionsschicht 5C anliegenden Teil an dem dem Umgang der Diffusionsschicht 5C gegenüberliegenden Teil anzuschließen. Hier sind die Verbindungsteile 21B, 31B derart gebildet, dass die Paare Verteilerbohrungen 22, 33 mit dem an der Diffusionsschicht anliegenden Teil 21A, 31A verbunden werden.
Dadurch strömen das Oxidationsmittelgas und Brennstoffgas jeweils von den zufuhrseitigen Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 22 und Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 33 abgezweigt in die Verbindungsteile 21B, 31B ein, kommen an dem an der Diffusionsschicht anliegenden Teil 21A, 31A mit der Diffusionsschicht 5C in Berührung und bewirken die elektrochemische Reaktion. Dann wird ein Überschuss an den Gasen bzw. durch Reaktion erzeugten Komponenten durch die Verbindungsteile 21B, 31B, die mit den ablassseitigen Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 22 und Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 33 verbunden sind, in die ablassseitigen Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 22 und Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 33 abgelassen.
An den beiden Hauptflächen der Rahmenkörper 6 der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 sind Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B angeordnet. Die Hauptdichtungen 7A sind derart angeordnet, dass das Oxidationsmittelgas und Brennstoffgas nicht von den bestimmten Strömungskanälen 21, 31 ausströmen. D. h. die Hauptdichtungen 7A sind den Umfang der Verteilerbohrungen 12, 13, 14 und den Umfang des Rahmens umgebend angeordnet. Auf der Seite des Anodenseparators 2 ist an der Stelle, die im montierten Zustand der Zellen 10 an den Verbindungsteilen 21B der Brennstoffgasströmungskanäle 21 anliegt, keine Hauptdichtung 7A bzw. Nebendichtung 7B angeordnet.
Zudem sind die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B derart angeordnet, dass die Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 12 und MEA 5 einteilig umgeben sind. Auf der Seite des Kathodenseparators 3 (s. 3) ist ebenfalls an der Stelle P, die im montierten Zustand der Zellen 10 an den Verbindungsteilen 31B der Oxidationsmittelgas-strömungskanäle 31 anliegt, keine Hauptdichtung 7A bzw. Nebendichtung 7B angeordnet.
Durch die Hauptdichtungen 7A wird der Auslauf des Brennstoffgases und Oxidationsmittelgases nach außen von den Brennstoffgasströmungskanälen 21 und Oxidationsmittelgasströmungskanälen 31 derart verhindert, dass die Durchströmung des zwischen den Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 22 und der MEA 5 strömenden Brennstoffgases und des zwischen den Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 33 und der MEA 5 strömenden Oxidationsmittelgases nicht gestört wird.
Gemäß 1 ist der skizzierte Aufbau der Hauptdichtungen 7A, Nebendichtungen 7B und der Mäanderstruktur der Strömungskanäle 21, 31 der an der Diffusionsschicht anliegenden Teile 21A, 31A der Separatoren 2, 3 dargestellt.
Bei der PEFC 100 nach Ausführungsform 1 ist der Fall erläutert, in dem die Verteilerbohrungen aus Durchgangsbohrungen der Separatoren gebildet sind. Aber auch eine Struktur mit äußeren Verteilern, d. h. mit an der Außenseite der Separatoren gebildeten Verteilern, ist möglich. In Hinblick auf die Kompaktierung der PEFC 100 und der strukturellen Einfachheit im Aussehen ist es bevorzugt, aus Durchgangsbohrungen der Separatoren die Verteiler zu bilden.
Ebenso gleich wie die Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 12, 22, 32 und Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 13, 23, 33, sind am peripheren Teil der Separatoren 2, 3 und der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 Wasser-Verteilerbohrungen 14, 24, 34 zur Bildung von zwei Paaren Verteiler für die Durchströmung von Wasser vorgesehen. Dadurch sind diese Verteilerbohrungen im gestapelten Zustand der Zellen 10 einander gestapelt und bilden zwei Paare Wasser-Verteilerbohrungen.
Hier zeigt 2 eine schematische Draufsicht der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1, 4 einen Schnitt längs dem Pfeil A-A der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 gemäß 2, und 5 einen Schnitt längs dem Pfeil B-B. In 5 sind die Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 12 etwas kleiner gezeichnet. In 4 und 5 ist die rechte Hälfte etwas zerlegt gezeichnet.
Wie in 4 und 5 dargestellt, ist die MEA 5 mit einer Polymerelektrolytmembran 5A zum selektiven Transport von Wasserstoffionen und einem Paar Elektrodenschichten 5D (Anode- und Kathode-Elektrodenschicht), die an den beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran 5A gebildet sind, versehen. Die Elektrodenschicht 5D ist normalerweise mit einer auf der Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 5A gebildeten Katalysatorschicht 5B, die als Hauptkomponente ein Platinkatalysator-tragendes Kohlenstoffpulver umfasst, und einer an der Außenseite dieser Katalysatorschicht 5B gebildeten Diffusionsschicht 5C, die sowohl die Gasdurchlässigkeit als auch die elektrisch Leitfähigkeit aufweist, versehen. Die Katalysatorschicht 5B kann eine zweischichtige Struktur aus einer nicht dargestellten, wasserabweisenden Kohlenstoffschicht und einer Platinkohlenstoffschicht aufweisen.
Der Anodenseparator 2 und Kathodenseparator 3 sind in Form einer Flachplatte gebildet und besitzen eine Stufe 2a, 3a an der mit der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 in Berührung kommenden Seite, d. h. an der Innenseite, damit entsprechend der Form der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1, und zwar entsprechend der durch die Differenz zwischen der Dicke der Rahmenkörper 6 und der Dicke der MEA 5 erzeugten Stufe, der zentrale Abschnitt der Separatoren trapezförmig herausragt.
D. h. die Dicke der Rahmenkörper 6 ist größer als die Gesamtdicke der Polymerelektrolytmembran 5A, der Katalysatorschicht 5B und der Diffusionsschicht 5C, so dass die Stufe erzeugt wird, deren Form entsprechend die Stufe 2a, 3a an der Dicke des Separators vorgesehen ist, wobei diese Stufen nicht vollständig ineinander eingepasst sind, sondern ein Spalt verbleibt, wie links in 5 dargestellt. In diesen Spalt sind Dichtelemente (Hauptdichtungen 7A, Nebendichtungen 7B) eingeklemmt.
Als Anodenseparator 2 und Kathodenseparator 3 werden hier beispielweise Glaskohlenstoff (Dicke 3 mm) von der Firma Tokai Carbon Co., Ltd. eingesetzt. Durch die Separatoren 2, 3 gehen die verschiedenen Verteilerbohrungen 22, 23, 32, 33, 34 sowie Bolzenlöcher 4 in Dickenrichtung der Separatoren 2, 3 durch.
An der Innenseite der Separatoren 2, 3 sind die Brennstoffgasströmungskanäle 21 und Oxidationsmittelgasströmungskanäle 31 gebildet und an der Rückseite der Separatoren 2, 3 die nicht dargestellten Wasserströmungskanäle gebildet. Die verschiedenen Verteilerbohrungen 22, 23, 24, 32, 33, 34, Bolzenlöcher 4, Brennstoffgasströmungskanäle 21, Wasserströmungskanäle 50 usw. werden durch spanende oder formgebende Bearbeitung gebildet.
Die Wasserströmungskanäle sind derart gebildet, dass sie zwei Paare Wasserverteilerbohrungen 24, 34 verbinden. D. h. sie sind derart ausgebildet, dass Wasser jeweils von der einen Verteilerbohrung, d. h. von der zufuhrseitigen Verteilerbohrung, in die Wasserströmungskanäle abgezweigt wird und in die andere Verteilerbohrung, d. h. in die abwasserseitige Verteilerbohrung einströmt. Dadurch kann die Zelle 10 durch die Wärmeübertragungsfähigkeit von Wasser auf eine für die elektrochemische Reaktion geeignete, bestimmte Temperatur gehalten werden.
In gleicher Weise wie beim Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas kann man die Wasserverteilerbohrungen 14, 24, 34 am peripheren Teil der Separatoren 2, 3 und der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 nicht bilden, sondern eine äußere Struktur aus Zufuhr- und Ablasskanälen für die Kühlung vorsehen. Weiterhin kann man die Wasserströmungskanäle an der Rückseite der Separatoren 2, 3 nicht bilden, sondern eine Kühleinheit zum Kreislauf von Kühlwasser in einen Raum zwischen benachbarten Zellen vor dem Stapeln der Zellen 10 einfügen.
Wie in 4 und 5 dargestellt, sind die Rahmenkörper 6 aus einem ersten Rahmenkörper 6A, einem zweiten Rahmenkörper 6B und einem dritten Rahmenkörper 6C, 6C-1, 6C-2 gebildet. Bei der MEA 5 ragt nur der periphere Teil der Polymerelektrolytmembran 5A nach außen und ist bloßgelegt, da die Polymerelektrolytmembran 5A größer als die an ihren beiden Seiten gebildeten Katalysatorschichten 5B und Diffusionsschichten 5C ist. Zwischen dem ersten Rahmenkörper 6A und dem zweiten Rahmenkörper 6B ist daher der ragend bloßgelegte, periphere Teil der Polymerelektrolytmembran 5A angeordnet und zwischen den beiden Rahmenkörpern 6A, 6B geklemmt, wodurch die Struktur der durch die Rahmenkörper 6 gehaltenen MEA 5 realisiert ist.
Zum Integrieren des ersten Rahmenkörpers 6A mit dem zweiten Rahmenkörper 6B ist der dritte Rahmenkörper 6C, 6C-1, 6C-2 gebildet. Der dritte Rahmenkörper 6C, 6C-1, 6C-2 ist an Verschweißungsteilen 15 derart verschweißt, dass er die durch die ineinandergepassten ersten und zweiten Rahmenkörper 6A, 6B gebildete Fuge überbrückt. Dadurch werden der erste Rahmenkörper 6A, der zweite Rahmenkörper 6B und der dritte Rahmenkörper 6C, 6C-1, 6C-2 mechanisch integriert und stützen die MEA 5.
Der erste Rahmenkörper 6A und der zweite Rahmenkörper 6B werden mittels eines thermoplastischen Harzmaterials durch Spritzguss vorgeformt. Die Beziehung zwischen der durch diese Rahmenkörper 6A, 6B gestützten MEA 5 und den Hauptdichtungen 7A, Nebendichtungen 7B wird erläutert.
4 zeigt einen teilweise zerlegten Schnitt längs dem Pfeil A-A der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit gemäß 2. Wenn, wie in 4, die MEA 5 zwischen zwei Rahmenkörpern geklemmt und gestützt wird, ist es erforderlich, den Durchlass des Brennstoffgases durch den Raum zwischen den Rahmenkörpern und der MEA 5 nach der Oxidationsmittelgas-Seite hin oder den Durchlass des Oxidationsmittelgases nach der Brennstoffgas-Seite hin zu verhindern. Das durch den Raum zwischen den Rahmenkörpern und der MEA 5 durchgelassene Gas bewegt sich durch das Innere der Katalysatorschicht 5B hindurch, wobei der Teil der Polymerelektrolytmembran 5A direkt unter den Hauptdichtungen 7A gedrückt werden muss, so dass die Mitte der Hauptdichtungen 7A um 3 bis 7 mm außen von dem Stromerzeugungszone-seitigen Ende der Rahmenkörper angeordnet wird.
Da diese Hauptdichtungen 7A daneben auch zur Verhinderung von External Leak dient, ist es notwendig, dass die Gegenkraft der Dichtelemente 2 bis 10 N/mm beträgt. Unter der Voraussetzung, dass beim Stapeln der Zellen 10 der Anodenseparator 2 und der Kathodenseparator 3 versetzt angeordnet werden, werden zwischen den Hauptdichtungen 7A und dem Stromerzeugungszone-seitigen Ende der Rahmenkörper die Nebendichtungen 7B angeordnet, damit das Stromerzeugungszone-seitige Ende der Rahmenkörper nicht geöffnet wird.
Diese Nebendichtungen 7B werden nur dafür verwendet, dass die Rahmenkörper nicht geöffnet werden, so dass die zu gebende Gegenkraft nicht so groß sein muss wie bei den Hauptdichtungen 7A. Die Hauptdichtungen 7A müssen das External Leak verhindern und daher immer geschlossen sein. Die Nebendichtungen 7B müssen jedoch nicht geschlossen sein, da sie in einem Maße, dass die Rahmenkörper nicht geöffnet werden, angeordnet sein können. Es ist erwünscht, dass die Hauptdichtungen 7A an den Nebendichtungen 7B teilweise angeschlossen sind.
4 zeigt ein Beispiel mit einer kleinen Kompressibilität und einer reduzierten Gegenkraft.
5 zeigt einen Schnitt längs dem Pfeil B-B gemäß 2, die einer von der anodenseitigen Oberfläche gesehenen Vorderansicht der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 entspricht. Wie in 5 dargestellt, ist es unmöglich, im Strömungsbereich die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B anzuordnen, so dass im Bereich, wo die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B befindlich sind, Rippen 8B von der Rahmenkörperseite aufgestellt werden können, damit die Rahmenkörper nicht durch die gegebene Gegenkraft geöffnet werden.
Auf dem Separator sind die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B als ein Beispiel von Verschlusselementen angeordnet. Die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B können mit dem ersten Rahmenkörper 6A und dem zweiten Rahmenkörper 6B integriert oder nicht integriert sein. Sie können auch mit dem Separator integriert oder nicht integriert sein.
Die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B bestehen aus einem elastischen Körper und werden durch die zwischen den Separatoren 2, 3 angeordnete Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 gedrückt und somit verformt, wodurch, wie in 2 dargestellt, der Umfang der MEA 5 (d. h. Raum zwischen der MEA 5 und den Separatoren 2, 3) und der Umfang der Verteilerbohrungen verschlossen (abgedichtet) werden. Ebenfalls wird der Umfang der einzelnen Brennstoffgas-Verteilerbohrungen 12 und Oxidationsmittelgas-Verteilerbohrungen 13 durch die Hauptdichtungen 7A abgedichtet.
Im Folgenden wird die Form der Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B näher erläutert.
6 zeigt eine von der anodenseitigen Oberfläche gesehene Vorderansicht des Anodenseparators gemäß 1. Am Umfang der Brennstoffgasströmungskanäle 21A in der Stromerzeugungszone gemäß dieser Figur ist ein Verbunddichtelement 7 aus der Kombination der Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B angeordnet. Die Nebendichtungen 7B sind, wie aus der Figur ersichtlich, im Strömungsbereich nicht vorhanden und daher nicht geschlossen.
8 zeigt einen Teilschnitt längs dem Pfeil C-C gemäß 6 nach Ausführungsform 1. Die Höhe der Hauptdichtung 7A wird als HA, ihre Spitze R als RA sowie die Höhe der Nebendichtung 7B als HB und ihre Spitze R als RB jeweils bezeichnet. Die Größe HP entspricht der Größe nach der Kompression der Dichtungen. Daraus ergibt sich folgendes.
Im Folgenden wird ein Beispiel aufgeführt, bei dem die Gegenkraft der Nebendichtung 7B kleiner als die Gegenkraft der Hauptdichtung 7A angelegt ist.
Im Fall von HA = HB ist die Kompressibilität gleich, so dass durch Einstellen auf RA > RB die Gegenkraft verkleinert werden kann.
Im Fall von HA > HB kann die Gegenkraft auch bei RA = RB verkleinert werden, aber in diesem Fall ist zu beachten, dass bei einer zu kleinen Kompressibilität die Nebendichtung 7B im Zusammenhang mit der Toleranz der Bauteile bzw. der Toleranz im Zusammenbau ggf. nicht funktioniert.
Die Rahmenkörper 6 (der erste Rahmenkörper 6A, zweite Rahmenkörper 6B, dritte Rahmenkörper 6C, 6C-1, 6C-2) werden aus einem thermoplastischen Harz gebildet. Das thermoplastische Harz ist unterhalb der Betriebstemperatur der PEFC 100 chemisch rein und stabil und weist eine geeignete Elastizität und eine relativ hohe Durchbiegungstemperatur auf.
Es ist vorteilhaft, dass der Kompressionsmodul der Rahmenkörper 6 mindestens 2000 MPa oder mehr ist, z. B. wenn die Breite der Brennstoffgasströmungskanäle 21 und Oxidationsmittelgasströmungskanäle 31 der Separatoren 2, 3 ca. 1 bis 2 mm und die Dicke der Rahmenkörper 6 im Wesentlichen 1 mm oder weniger ist. Dieser Kompressionsmodul entspricht demjenigen, gemessen nach der Methode gemäß JIS-K7181 zur Messung des Kompressionsmoduls.
Da die Betriebstemperatur der PEFC 100 im Allgemeinen 90°C oder weniger ist, ist es vorteilhaft, dass die Durchbiegungstemperatur der Rahmenkörper 6 120°C oder mehr ist. Zudem ist es vorteilhaft, dass die Rahmenkörper 6 aus einem Material bestehen, das eine große mechanische Festigkeit und hohe Wärmebeständigkeit aufweist.
Beispielweise sind sogenannte supertechnische Kunststoff-Grade vorteilhaft. Als Beispiele sind modifizierte Polyphenylenether (PPE), Polyphenylensulfide (PPS), Polyetheretherketone (PEEK), Flüssigkristallpolymer (LCP), Polyethernitrile (PEN) usw. aufführbar.
Diese Materialien sind vorteilhaft, da sie einen Kompressionsmodul von mehreren tausend bis zehntausend MPa und eine Durchbiegungstemperatur von 120°C oder mehr aufweisen. Zum Beispiel sind mit Glasfüller gefüllte Polypropylene (GFPP), die zwar unter Mehrzweckharzmaterialien fallen, jedoch ungeeignet, da die Glasfüller in die Polymerelektrolytmembran stechen können. Für die Ausführungsform 1 wird modifiziertes PPE (ZYLON 500H von der Firma Asahi Kasei Chemicals Corp.) eingesetzt, das ein thermoplastisches Harz ist.
Die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B als elastische Körper bestehen aus Kautschuk, wie Fluorkautschuk, EPDM, AEM usw. oder einem plastischen Harz oder thermoplastischen Elastomer. Diese Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B sind unter den Betriebsbedingungen für die PEFC 100 chemisch stabil und besitzen insbesondere eine Heißwasserbeständigkeit, die keine Hydrolyse bewirkt, und auch eine Säurebeständigkeit, stammend aus der Polymerelektrolytmembran.
Beispielweise ist es vorteilhaft, dass der Kompressionsmodul der Dichtung 7 200 MPa oder weniger ist. Bei der Ausführungsform 1 wird zur Gewährleistung einer guten Dichtungseigenschaft bei der Spannungslast der PEFC 100 ein Fluorkautschuk eingesetzt.
An der Rückseite des Anodenseparators 2 und des Kathodenseparators 3 sind am Umfang der verschiedenen Verteilerbohrungen allgemeine Dichtungsbauteile 9 aus einem wärmebeständigen Material, wie verformbare Verpackungen, angeordnet. Dadurch wird der Abfluss des Brennstoffgases, des Oxidationsmittelgases und des Wassers von den Verbindungsteilen der verschiedenen Verteilerbohrungen 22, 23, 24, 32, 33, 34 zwischen den benachbarten Zellen 10 verhindert.
Anschließend wird das Verfahren zur Herstellung der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform 1 erläutert.
Wie in 4 und 5 dargestellt, wird an den beiden Seiten des zentralen Teil der Polymerelektrolytmembran 5A jeweils eine Katalysatorschicht 5B derart gebildet, dass der periphere Teil der Polymerelektrolytmembran 5A bloßgelegt, d. h. nicht bedeckt wird. Das Ende der Katalysatorschicht 5B liegt zwischen dem elektrodenseitigen Ende der Rahmenkörper und der Linie der Hauptdichtung 7A. Anschließend wird die Diffusionsschicht 5C gebildet. Die Diffusionsschicht 5C kann dadurch gebildet werden, dass sie auf der Katalysatorschicht 5B, die an der in die Rahmenkörper 6 eingeklemmten Polymerelektrolytmembran 5A gebildet ist, oder auf der Katalysatorschicht 5B vor dem Einklemmen in die Rahmenkörper 6 aufgeklebt wird.
Konkret wird die Katalysatorschicht 5B z. B. in folgender Weise gebildet. 10 g Katalysatorpulver, enthaltend Ketjenblack EC als Träger und Platin im Gewichtsverhältnis von 1:1, und 35 g Wasser sowie 59 g einer alkoholischen Dispersion eines wasserstoffionen-leitenden Polymerelektrolyten (9% FSS von der Firma Asahi Glass Co.) werden unter Rühren gemischt und eine Katalysatorschicht-Tinte hergestellt.
Anschließend wird diese Katalysatorschicht-Tinte auf den beiden Hauptflächen der Polymerelektrolytmembran 5A durch eine allgemeine Auftragstechnik, wie Sprühbeschichten, Siebdruck usw., zu einer Dicke von 20 μm aufgetragen und getrocknet, wodurch eine Katalysatorschicht 5B gebildet wird. Für die Polymerelektrolytmembran 5A wird hier eine Perfluorcarbonsulfonsäure-Membran (Nafion 117^® von DUPONT) eingesetzt. In den Figuren ist die genaue Anordnung der Polymerelektrolytmembran 5A auf dem Stufenteil 6D der erste Rahmenkörper 6A bzw. die Struktur für die vorläufige Befestigung ausgelassen.
Anschließend wird auf der Katalysatorschicht 5B die Diffusionsschicht 5C gebildet. Die Diffusionsschicht 5C besteht aus einem porösen Körper mit einer Vielzahl von feinen Poren. Dadurch dringt das Brennstoffgas oder Oxidationsmittelgas in die Poren ein, so dass diese Gase diffundieren und leicht auf die Katalysatorschicht 5B reichen.
Gemäß der Ausführungsform 1 werden die beiden Hauptflächen der Polymerelektrolytmembran 5A, die jeweils mit der Katalysatorschicht 5B versehen sind, beispielweise mit Carbel CL 400 (Dicke 400 μm) von der Firma Japan Gore Co. überzogen. Durch Heißpressen dieses Kohlenstofffasertuchs wird auf der Katalysatorschicht 5B an den beiden Hauptflächen der Polymerelektrolytmembran 5A die Diffusionsschicht 5C gebildet.
Andererseits, wie in 2 bis 5 dargestellt, wird der erste Rahmenkörper 6A aus einem thermoplastischen Harzmaterial durch Spritzguss vorher gebildet. Der Stromerzeugungsteil der MEA 5 entspricht dem Öffnungsteil des ersten Rahmenkörpers 6A. Auch der zweite Rahmenkörper 6B wird aus einem thermoplastischen Harzmaterial durch Spritzguss vorher gebildet. Der Stromerzeugungsteil der MEA 5 entspricht dem Öffnungsteil des zweiten Rahmenkörpers 6B.
Auf diese Weise werden die MEA 5, der erste Rahmenkörper 6A und der zweite Rahmenkörper 6B vorbereitet. Danach wird auf dem Stufenteil 6D des ersten Rahmenkörpers 6A der periphere Teil der MEA 5 angeordnet. Dabei erfolgt eine derartige Aufstellung, dass der äußerste Rand der MEA 5 an der Außenseite von der Dichtelement-Linie und den Rippen 8B angeordnet wird. Dann können der erste Rahmenkörper 6A und die MEA 5 in diesem Zustand vorläufig fixiert werden.
Anschließend wird in den ersten Rahmenkörper 6A, an dem die MEA 5 angeordnet ist, der zweite Rahmenkörper 6B eingepasst. Der periphere Teil der MEA 5 wird zwischen dem ersten und dem zweiten Rahmenkörper 6A, 6B geklemmt gestützt und dann in eine Gießform zur Bildung des dritten Rahmenkörpers 6C, 6C-1, 6C-2 eingebracht, um den dritten Rahmenkörper 6C, 6C-1, 6C-2 durch Spritzguss zu formen. Dadurch wird zuletzt die Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 hergestellt. Diese Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 wird zwischen den einzelnen Separatoren 2, 3 geklemmt, wodurch die Zelle 10 vollendet wird.
(Ausführungsform 2)
9 zeigt eine von der anodenseitigen Oberfläche gesehene Vorderansicht des Anodenseparators gemäß 1 nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform 2. Für dieselben Bauteile wie in
1 sind die gleichen Bezugszeichen verwendet, für welche die Erläuterung ausgelassen wird.
Am Umfang der Brennstoffgasströmungskanäle 21A in der Stromerzeugungszone gemäß 9 ist ein Verbunddichtelement 7 aus der Kombination der Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B angeordnet. Wie in dieser Figur dargestellt, sind die Nebendichtungen 7B nicht im Strömungsbereich vorhanden und daher nicht geschlossen. Die Nebendichtungen 7B gemäß dieser Figur sind derart angeordnet, dass sie in Umfangsrichtung in aktiver Weise nicht fortlaufen. Dadurch wird der die Rahmenkörper drückende Abschnitt reduziert und somit die Gegenkraft verringert. Die Anordnung des nicht gedrückten Bereichs kann durch die Steifigkeit der Rahmenkörper und die Gegenkraft beim Drücken durch die Nebendichtung 7B analytisch optimal bestimmt werden.
10 zeigt einen Teilschnitt längs dem Pfeil D-D gemäß 9 nach Ausführungsform 2. Die Höhe der Hauptdichtung 7A wird als HA, ihre Spitze R als RA sowie die Höhe der Nebendichtung 7B als HB und ihre Spitze R als RB bezeichnet. Die Größe HP entspricht der Größe nach der Kompression der Dichtungen. Daraus ergibt sich folgendes.
Im Folgenden wird ein Beispiel aufgeführt, bei dem die Gegenkraft der Nebendichtung 7B kleiner als die Gegenkraft der Hauptdichtung 7A angelegt ist.
Im Fall von HA = HB ist die Kompressibilität gleich, so dass durch Einstellen auf RA > RB die Gegenkraft verkleinert werden kann.
Im Fall von HA > HB kann die Gegenkraft auch bei RA = RB verkleinert werden, aber in diesem Fall ist zu beachten, dass bei einer zu kleinen Kompressibilität die Nebendichtung 7B im Zusammenhang mit der Toleranz der Bauteile bzw. der Toleranz im Zusammenbau ggf. nicht funktioniert.
Zudem zeigen 11 und 12 jeweils einen Teilschnitt des von der Nebendichtung 7B freien Teils längs dem Pfeil E-E gemäß 9 nach Ausführungsform 2.
11 entspricht zu E-E, und 12 zu E'-E'.
11 zeigt nur die Hauptdichtung 7A und ist frei von der Gestaltung zum Verbinden des Teils der Nebendichtung 7B mit der Hauptdichtung 7A. In Hinblick auf die Einsparung der Materialien ist dieses Mittel zwar als effektiv anzusehen, das aber die Gestaltung komplizierter macht und sich auf die Formbarkeit der Nebendichtungen 7B auswirkt.
12 zeigt unter Berücksichtigung der obengenannten Formbarkeit ein Beispiel, bei dem die Gestaltung zum Verbinden des Teils der Nebendichtung 7B mit der Hauptdichtung 7A bleibt und dadurch die Formbarkeit erhöht ist.
13 zeigt eine von der kathodenseitigen Oberfläche gesehene Vorderansicht des Kathodenseparators gemäß 1 nach Ausführungsform 2. In gleicher Weise wie beim Anodenseparator, ist am Umfang der Oxidationsmittelgasströmungskanäle 31A in der Stromerzeugungszone gemäß 13 ein Verbunddichtelement 7 aus der Kombination der Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B angeordnet.
Wie in 13 dargestellt, sind die Nebendichtungen 7B nicht im Strömungsbereich vorhanden und daher nicht geschlossen. Die Nebendichtungen 7B gemäß dieser Figur sind derart angeordnet, dass sie in Umfangsrichtung in aktiver Weise nicht fortlaufen. Dadurch wird der die Rahmenkörper drückende Abschnitt reduziert und somit die Gegenkraft verringert. Die Anordnung des nicht gedrückten Bereichs kann durch die Steifigkeit der Rahmenkörper und die Gegenkraft beim Drücken durch die Nebendichtungen 7B analytisch optimal bestimmt werden.
14 zeigt einen Schnitt der Zelle 10 längs dem Pfeil F-F einer von der Anodenseparator-seitigen Oberfläche gesehenen Vorderansicht der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß 2 nach Ausführungsform 2.
Dabei werden die am Anodenseparator 2 angeordneten Nebendichtungen 7B und die am Kathodenseparator 3 angeordneten Nebendichtungen 7B derart angeordnet, dass sich die durch diese Nebendichtungen nicht-gedrückten Teile nicht überschneiden. D. h. der Bereich der Rahmenkörper 6 der Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit 1 wird entweder durch die Nebendichtungen 7B des Anodenseparators 2 oder durch die Nebendichtungen 7B des Kathodenseparators 3 immer gedrückt. Es ist auch möglich, in den Teil ohne Nebendichtung 7B eine Gestaltung mit unterschiedlichem Zweck, z. B. zur Verhinderung des Herumlaufs oder zur Positionierung, einzufügen.
Gemäß der obengenannten Ausführungsform wird die integrierte Form der Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B dargestellt. Aber eine voneinander unabhängige Form, d. h. eine Form, bei der die Hauptdichtungen 7A und Nebendichtungen 7B nicht aneinandergeschlossen sind, ist auch möglich.
Die obengenannten verschiedenen Ausführungsformen können den Umständen entsprechend beliebig kombiniert werden, um die einzelnen Effekte zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung ist unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und kann jedoch verschiedenartig modifiziert oder verbessert werden. Es ist zu verstehen, dass solche Modifikationen bzw. Verbesserungen unter den Umfang der Erfindung gemäß den beigefügten Patentansprüchen fallen, sofern sie von ihm nicht abweichen.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Die vorliegende Erfindung kann die Nutzungseffizienz des Brennstoffgases und Oxidationsmittelgases erhöhen und daneben die Ausbeute bei der Herstellung erhöhen, so dass die Erfindung als Brennstoffzelle für Kraft-Wärme-Kopplungssysteme und elektrische Kraftfahrzeuge wirksam ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektrode-Membran-Rahmen-Einheit
2, 2': Anodenseparator
3, 3': Kathodenseparator
4: Bolzenloch
5: MEA (Membran-Elektrode-Einheit)
5A: Polymerelektrolytmembran
5B: Katalysatorschicht
5C: Diffusionsschicht
5D: Elektrodenschicht
6A, 6A': erster Rahmenkörper
6B, 6B': zweiter Rahmenkörper
6C: dritter Rahmenkörper
7A': Verschlusselement für Membran
7A: Hauptdichtung
7B: Nebendichtung
10: Zelle
10': Einzelzelle
15: Verschweißungsteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS-K7181 [0090]

Claims

Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Polymerelektrolytmembran, Katalysatorschichten, die an jeder Oberfläche der Polymerelektrolytmembran vorgesehen sind, Gasdiffusionsschichten, die an der Oberfläche der Katalysatorschichten vorgesehen sind, ein Paar Rahmenkörper, die den Außenumfang der Polymerelektrolytmembran einklemmend vorgesehen sind, und ein Paar Separatoren, die auf den Gasdiffusionsschichten vorgesehen sind, umfasst und mit Hauptdichtungen, die an der der Polymerelektrolytmembran zugewandten Oberfläche der Separatoren und an der Außenseite von der Gasdiffusionsschicht angeordnet und ringförmig vorgesehen sind, und Nebendichtungen, die an der Außenseite von dem Innenrand der Rahmenkörper und an der Innenseite von der Mitte der Hauptdichtungen vorgesehen sind, versehen ist.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Hauptdichtungen und Nebendichtungen ein teilweise angeschlossenes Verbunddichtelement bilden.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der die maximale Höhe der Hauptdichtung von ihrer Bodenfläche höher als die maximale Höhe der Nebendichtung von ihrer Bodenfläche ist.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Gegenkraft der Nebendichtung zum Drücken der Rahmenkörper kleiner als die Gegenkraft der Hauptdichtung zum Drücken der Rahmenkörper ist und die Kompressibilität kleiner ist.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Gegenkraft der Nebendichtung zum Drücken der Rahmenkörper kleiner als die Gegenkraft der Hauptdichtung zum Drücken der Rahmenkörper ist und der Teil der Nebendichtungen ringförmig und intermittierend ausgebildet ist.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Hauptdichtungen und Nebendichtungen einen Kautschuk auf Fluorbasis enthalten.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Separatoren, die Hauptdichtungen und die Nebendichtungen eine einteilig gebildete Einheit darstellen.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Nebendichtungen nur auf dem Randbereich der in die Rahmenkörper eingeklemmten Polymerelektrolytmembran angeordnet sind.