DE102018218276A1

DE102018218276A1 - Stromerzeugungsquelle

Info

Publication number: DE102018218276A1
Application number: DE102018218276.0A
Authority: DE
Inventors: Kentaro Ishida; Yu TOMANA; Kenji Sasaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: US20190131633A1; CN109713344A; US10573905B2; DE102018218276B4; JP2019079736A; JP6496382B1; CN109713344B

Abstract

In einer Stromerzeugungszelle (12) sind erste Bypassstop-Vorsprünge (84) zum Verhindern eines Umströmens eines sauerstoffhaltigen Gases zwischen einem Ende eines Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas (48) in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung und einer äußeren Umfangslippe (54) bereitgestellt. Eine wellenförmige Endrippe (48a1) umfasst Kurven (87), welche von der äußeren Umfangslippe (54) vertieft sind. Die ersten Bypassstop-Vorsprünge (84) sind zwischen den vertieften Kurven (87) und der äußeren Umfangslippe (54) bereitgestellt. Ein erster Metallseparator (30) weist erste Tragevorsprünge (85) zum Tragen einer Kathode (44) zwischen den vertieften Kurven (87) und den ersten Bypassstop-Vorsprüngen (84) auf.

Description

Hintergrund der Erfindung
Feld der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungszelle, umfassend einen Metallseparator mit einer Lippendichtung und einem wellenförmigen Reagenzgas-Strömungsfeld.
Beschreibung des Stands der Technik:
Im Allgemeinen verwendet eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eine feste Polymerelektrolyt-Membran. Die feste Polymer-ElektrolytMembran ist eine Polymer-Ionenaustauschmembran. Die Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Die Membran-Elektroden-Anordnung ist durch Bereitstellen einer Anode an einer Fläche der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran und Bereitstellen einer Kathode an der anderen Fläche der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran gebildet. Die MEA ist zwischen Separatoren (bipolaren Platten) eingefügt, um eine Stromerzeugungszelle (Einheitszelle) zu bilden. Eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen sind zusammen gestapelt, um beispielsweise einen Bord-Brennstoffzellenstapel zu bilden, welcher an einem Fahrzeug montiert ist.
In der Stromerzeugungszelle können Metallseparatoren als die Separatoren eingesetzt werden. Ein Brennstoffgas-Strömungsfeld, welches es einem Brennstoffgas erlaubt, als eines der Reagentengase entlang einer Anode zu strömen, ist in einem anodenseitigen Metallseparator gebildet, und ein Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas, um es einem sauerstoffhaltigen Gas als das andere der Reagentengase zu erlauben, entlang einer Kathode zu strömen, ist in einem kathodenseitigen Metallseparator gebildet. Der anodenseitige Metallseparator ist an einer Fläche der MEA bereitgestellt und der kathodenseitige Metallseparator ist an der anderen Fläche der MEA bereitgestellt.
Gemäß der Offenbarung des japanischen Patents Nr. 5239091 ist eine rippenförmige Lippendichtung (Grenzwand 7) durch Pressformen als eine Dichtung in einem Metallseparator gebildet, um Herstellungskosten einzusparen. Ferner ist in dem japanischen Patent Nr. 5239091 ein Reagentengas-Strömungsfeld in einem Metallseparator bereitgestellt, und es sind Bypassstop-Vorsprünge (Begrenzungselemente 10) zwischen der Lippendichtung und dem Reagentengas-Strömungsfeld bereitgestellt, um ein Vorbeiströmen eines Reagentengases an einem Ende des Reagentengas-Strömungsfelds in der Strömungsfeld-Breitenrichtung zu verhindern.
Abriss der Erfindung
In dem japanischen Patent Nr. 5239091 ist ein Ende der MEA in der Breitenrichtung von den Bypassstop-Vorsprüngen getragen. Jedoch ist es an Positionen, an denen die Bypassstop-Vorsprünge nicht bereitgestellt sind, nicht möglich, das Ende der MEA in der Breitenrichtung zu tragen. Daher ist der Flächendruck an den Positionen verringert, an welchen das Ende der MEA in der Breitenrichtung nicht von den Bypassstop-Vorsprüngen getragen ist. Die Abnahme des Flächendrucks kann die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Stromerzeugung verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung eines solchen Problems durchgeführt und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromerzeugungszelle bereitzustellen, welche es ermöglicht, die Abnahme des Flächendrucks an einem Ende in der Breitenrichtung des Reagentengas-Strömungsfelds eines Metallseparators zu unterdrücken.
Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Stromerzeugungszelle bereit. Die Stromerzeugungszelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche gebildet ist, indem Elektroden an beiden Seiten einer Elektrolytmembran bereitgestellt sind und Metallseparatoren an beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung bereitgestellt sind. Die Stromerzeugungszelle weist eine Mehrzahl von wellenförmigen Rippen auf, welche sich von einem Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren erstrecken, sowie eine Mehrzahl von wellenförmigen Strömungsnuten, welche zwischen der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen gebildet sind. Ein Reagentengas-Strömungsfeld ist in der Stromerzeugungszelle gebildet, um es einem Reagentengas zu erlauben, von einem Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren entlang einer Stromerzeugungsfläche zu strömen. Eine Lippendichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Ausströmen des Reagentengases zu verhindern, ist um das Reagentengas-Strömungsfeld herum bereitgestellt. Ein Bypassstop-Vorsprung, welcher dazu eingerichtet ist, ein Herumströmen des Reagentengases zu verhindern, ist zwischen einem Ende des Reagentengas-Strömungsfelds in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung und der Lippendichtung gebildet. In der Stromerzeugungszelle ist der Bypassstop-Vorsprung zwischen einer vertieften Kurve, welche von der Lippendichtung an dem Ende der wellenförmigen Rippen in der Strömungsfeld-Breitenrichtung weg vertieft ist, und der Lippendichtung bereitgestellt, und wenigstens einer der Metallseparatoren umfasst einen Tragevorsprung, welcher dazu eingerichtet ist, die Elektrode zu tragen, zwischen der vertieften Kurve und dem Bypassstop-Vorsprung.
Vorzugsweise ist der Tragevorsprung in jedem aus einem der Metallseparatoren und dem anderen aus den Metallseparatoren bereitgestellt.
Vorzugsweise sind der Tragevorsprung von einem aus den Metallseparatoren und der Tragevorsprung von dem anderen der Metallseparatoren abwechselnd in einer Richtung angeordnet, in welcher sich die wellenförmigen Rippen erstrecken.
Vorzugsweise ist eine Form des Tragevorsprungs von einem aus einem Paar der Metallseparatoren verschieden von einer Form des Tragevorsprungs des anderen aus dem Paar der Metallseparatoren.
Vorzugsweise weist der Tragevorsprung von einem der Metallseparatoren zu der wellenförmigen Rippe, welche an dem Ende in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des anderen der Metallseparatoren bereitgestellt ist, durch die Membran-Elektroden-Anordnung.
Vorzugsweise ist ein rahmenförmiger Harzfilm in einem äußeren Umfangsabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung bereitgestellt, und der Tragevorsprung trägt die Elektrode an einer Position, an welcher die Membran-Elektroden-Anordnung und der Harzfilm einander in einer Dickenrichtung überlappen.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl der Bypassstop-Vorsprünge in Intervallen in einer Richtung bereitgestellt, in welcher sich die wellenförmigen Rippen erstrecken.
Vorzugsweise ist eine an einer Kühlmittelflächen-Seite vorspringende Ausnehmung in einer Nähe des Tragevorsprungs bereitgestellt, und ein vorderes Ende des Vorsprungs an einer Hinterseite der Ausnehmung liegt an dem Metallseparator benachbart zu dem Vorsprung an.
In der Stromerzeugungszelle der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Ende der Membran-Elektroden-Anordnung in der Breitenrichtung nicht nur durch den Bypassstop-Vorsprung sondern auch durch den Tragevorsprung zu tragen. Daher ist es möglich, eine Abnahme in dem Flächendruck (Anzugskraft) an dem Ende der Membran-Elektroden-Anordnung in der Breitenrichtung zu verhindern. Dementsprechend ist es möglich, eine Abnahme in der Leistungsfähigkeit und der Haltbarkeit der Stromerzeugung aufgrund der Abnahme in dem Flächendruck, der auf die Stromerzeugungszelle eingewirkt wird, zu unterdrücken.
Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlicher, wenn diese in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines illustrativen Beispiels gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche eine Stromerzeugungszelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, welche die Stromerzeugungszelle entlang einer Linie II-II in den 1 und 4 genommen zeigt;
3 ist eine Draufsicht, welche die verbundenen Separatoren wie von der Seite eines ersten Metallseparators aus gesehen zeigt;
4 ist eine vergrößerte Draufsicht, welche Hauptkomponenten des ersten Metallseparators zeigt;
5 ist eine Draufsicht, welche die verbundenen Separatoren wie von der Seite des zweiten Metallseparators aus gesehen zeigt;
6 ist eine vergrößerte Draufsicht, welche Hauptkomponenten des zweiten Metallseparators zeigt;
7 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in welchem der erste Metallseparator und der zweite Metallseparator einander überlagert sind; und
8 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie VIII-VIII in 4.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Stromerzeugungszelle der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
Eine Stromerzeugungszelle 12, welche eine Einheit einer in 1 gezeigten Brennstoffzelle bildet, umfasst eine MEA 28, welche mit einem Harzfilm ausgestattet ist, einen ersten Metallseparator 30, welcher an einer Seite der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 bereitgestellt ist (in der Richtung, welche durch den Pfeil A1 angezeigt ist), und einen zweiten Metallseparator 32, welcher an der anderen Seite der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 bereitgestellt ist (in der Richtung, welche durch den Pfeil A2 angezeigt ist). Ein Brennstoffzellen-Stapel 10 ist durch Stapeln einer Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 12, beispielsweise in einer Richtung, welche durch den Pfeil A angezeigt ist (horizontale Richtung) oder in einer Richtung, welche durch den Pfeil C angezeigt ist (Richtung der Schwerkraft), sowie durch Einwirken einer Anzugslast (Kompressionslast) in der Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen 12 gebildet. Beispielsweise ist der Brennstoffzellen-Stapel 10 als ein Bord-Brennstoffzellen-Stapel an einem (nicht gezeigten) Brennstoffzellen-Elektroautomobil montiert.
Jeder aus dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 ist durch Pressformen einer dünnen Metallplatte gebildet, um eine gewellte Form im Querschnitt aufzuweisen. Beispielsweise ist die Metallplatte eine Stahlplatte, eine Platte aus rostfreiem Stahl, eine Aluminiumplatte, eine beschlagene Stahlplatte oder eine Metallplatte mit einer antikorrosiv beschichteten Oberfläche. Der erste Metallseparator 30 von einer der benachbarten Stromerzeugungszellen 12 und der zweite Metallseparator 32 der anderen Stromerzeugungszelle 12 sind miteinander durch Schweißen, Löten, Verstemmen, etc. verbunden, um einen verbundenen Separator 33 zu bilden.
An einem Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der longitudinalen Richtung (horizontale Richtung) (an dem einen Ende in der Richtung, welche durch den Pfeil B1 angezeigt wird), sind ein Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, ein Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und ein Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b bereitgestellt. Der Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und der Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung (angezeigt durch den Pfeil A). Der Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und der Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b sind in der vertikalen Richtung angeordnet, welche durch den Pfeil C angezeigt ist. Ein sauerstoffhaltiges Gas wird durch den Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a geliefert. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, wird durch den Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a geliefert. Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, wird durch den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b abgegeben.
An dem anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der longitudinalen Richtung (das andere Ende in der Richtung, welche durch den Pfeil B2 angezeigt wird), sind ein Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a, ein Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b und ein Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b bereitgestellt. Der Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a, der Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b und der Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung. Der Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a, der Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b und der Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b sind in der vertikalen Richtung angeordnet. Das Brennstoffgas wird durch den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a geliefert. Das Kühlmittel wird durch den Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b abgegeben. Das sauerstoffhaltige Gas wird durch den Abgabedurchgang 34b für sauerstoffhaltiges Gas abgegeben. Die Auslegung des Zufuhrdurchgangs für sauerstoffhaltiges Gas 34a, des Abgabedurchgangs für sauerstoffhaltiges Gas 34b, des Brennstoffgas-Zufuhrdurchgangs 38b und des Brennstoffgas-Abgabedurchgangs 38b ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann wie benötigt abhängig von den angeforderten Spezifikationen geändert werden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die mit einem Harzfilm ausgestattete MEA 28 eine Membran-Elektroden-Anordnung 28a (im Folgenden als „MEA 28a“ bezeichnet) und einen rahmenförmigen Harzfilm 46, welcher in einem Umfangsabschnitt der MEA 28a bereitgestellt ist.
Die MEA 28a umfasst eine Elektrolytmembran 40, eine Anode 42 und eine Kathode 44, welche an beiden Flächen der Elektrolytmembran 40 bereitgestellt sind. Beispielsweise ist die Elektrolytmembran 40 eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran (Kationen-Ionenaustausch-Membran). Die Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran ist beispielsweise eine dünne Membran aus Perfluoroschwefelsäure, welche Wasser enthält. Die Elektrolytmembran 40 ist zwischen der Anode 42 und der Kathode 44 eingefügt. Ein Fluor-basiertes Elektrolyt kann als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden. Alternativ kann ein HC (Kohlenwasserstoff)-basiertes Elektrolyt als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden.
Die Kathode 44 umfasst eine erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a, welche mit einer Fläche der Elektrolytmembran verbunden ist, sowie eine erste Gas-Diffusionsschicht 44b, welche auf die erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a gestapelt ist. Die Anode 42 umfasst eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a, welche mit der anderen Fläche der Elektrolytmembran 40 verbunden ist, sowie eine zweite Gas-Diffusionsschicht 42b, welche auf die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a gestapelt ist.
Die erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a und die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a sind an beiden Flächen der Elektrolytmembran 40 gebildet. Beispielsweise ist die erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a durch poröse Kohlenstoffpartikel gebildet, welche gleichförmig an der Fläche der ersten Gas-Diffusionsschicht 44b zusammen mit einem ionenleitenden Polymerbinder angelagert sind, und eine Platinlegierung ist an den porösen Kohlenstoffpartikeln getragen. Beispielsweise ist die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a durch poröse Kohlenstoffpartikel gebildet, welche gleichförmig an der Fläche der zweiten Gas-Diffusionsschicht 42b zusammen mit einem ionenleitenden Polymerbinder angelagert sind, und eine Platinlegierung ist an den porösen Kohlenstoffpartikeln getragen. Jede aus der ersten Gas-Diffusionsschicht 44b und der zweiten Gas-Diffusionsschicht 42b umfasst ein Kohlenstoffpapier oder ein Kohlenstofftextil, etc.
Wie in 1 gezeigt, sind in der Richtung, welche durch den Pfeil B1 angezeigt ist, der Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und der Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b bereitgestellt. An dem Ende des Harzfilms 46 in der Richtung, welche durch den Pfeil B2 angezeigt ist, sind der Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a, der Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b und der Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b bereitgestellt.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Harzfilm 46 zwei rahmenförmige Bögen 46a, 46b, welche unterschiedliche Dicken aufweisen. Insbesondere umfasst der Harzfilm 46 einen ersten rahmenförmigen Bogen 46a und einen zweiten rahmenförmigen Bogen 46b. Der innere Umfangsabschnitt des ersten rahmenförmigen Bogens 46a ist mit dem äußeren Umfangsabschnitt des MEA 28a verbunden. Der zweite rahmenförmige Bogen 46b ist mit dem ersten rahmenförmigen Bogen 46a verbunden. Der erste rahmenförmige Bogen 46a und der zweite rahmenförmige Bogen 46b sind miteinander in der Dickenrichtung durch eine Haftschicht 46c verbunden, welche durch einen Haftstoff hergestellt ist. Der zweite rahmenförmige Bogen 46b ist mit dem äußeren Umfangsabschnitt des ersten rahmenförmigen Bogens 46a verbunden.
Jeder aus dem ersten rahmenförmigen Bogen 46a und dem zweiten rahmenförmigen Bogen 46b ist aus einem Harzmaterial hergestellt. Beispiele der Materialien des ersten rahmenförmigen Bogens 46a und des zweiten rahmenförmigen Bogens 46b umfassen PPS (Polyphenylensulfid), PPA (Polyphtalamid), PEN (Polyethylennaphthalat), PES (Polyethersulfon), LCP (Flüssigkristall-Polymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid), Siliziumharz, Fluorharz, m-PPE (modifiziertes Polyphenylenäther)-Harz, PET (Polyethylenterephthalat), PBT (Polybutylenterephthalat) oder modifiziertes Polyolefin.
Der innere Umfangsabschnitt 46n des Harzfilms 46 (der innere Umfangsabschnitt des ersten rahmenförmigen Bogens 46a) ist zwischen dem äußeren Umfangsabschnitt der Anode 42 und dem äußeren Umfangsabschnitt der Kathode 44 bereitgestellt. Insbesondere ist der innere Umfangsabschnitt 46n des Harzfilms 46 zwischen dem äußeren Umfangsabschnitt der Elektrolytmembran 40 und dem äußeren Umfangsabschnitt der Anode 42 gehalten. Der innere Umfangsabschnitt 46n des Harzfilms 46 und der äußere Umfangsabschnitt der Elektrolytmembran 40 sind miteinander durch die Haftschicht 46c verbunden. Es sollte festgehalten werden, dass der innere Umfangsabschnitt 46n des Harzfilms 46 zwischen der Elektrolytmembran 40 und der Kathode 44 gehalten sein kann.
Es sollte festgehalten sein, dass die Elektrolytmembran 40 nach außen vorstehen kann, ohne dass der Harzfilm 46 verwendet wird. Ferner können rahmenförmige Filme an beiden Seiten der Elektrolytmembran 40 vorgesehen sein, welche nach außen vorsteht.
Wie in 3 gezeigt, ist ein Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 an einer Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 bereitgestellt, welche zu der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 (im Folgenden als die „Fläche 30a“ bezeichnet) weist. Beispielsweise erstreckt sich das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 in der Richtung, welche durch den Pfeil B angezeigt ist. Das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 ist mit dem Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a und dem Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b verbunden (in Fluidkommunikation stehend). Das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 umfasst eine Mehrzahl von wellenförmigen Nuten 48b zwischen einer Mehrzahl von wellenförmigen Rippen 48a, welche sich in die durch den Pfeil B angezeigte Richtung erstrecken. Daher sind in dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 die Mehrzahl von wellenförmigen Rippen 48a und die Mehrzahl von wellenförmigen Nuten 48b abwechselnd in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung bereitgestellt (in der von dem Pfeil C angezeigten Richtung).
Seitenwände an beiden Seiten der wellenförmigen Rippen 58a in der Breitenrichtung (in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung) sind aus der Separator-Dickenrichtung heraus geneigt, und die Querschnittsform der wellenförmigen Rippen 48a ist eine Trapezoidform. Es sollte festgehalten werden, dass die Seitenwände an beiden Seiten der wellenförmigen Rippen 48a in der Breitenrichtung parallel zu der Separator-Dickenrichtung sein können, und dass die Querschnittsform der wellenförmigen Rippen 48a eine Rechteckform sein kann. Die Form der wellenförmigen Rippen 48a ist nicht spezifisch festgelegt, solange die wellenförmigen Rippen 48a eine unebene Form aufweisen, welche in der (durch den Pfeil B angezeigten) Richtung, in welcher sich die wellenförmigen Rippen erstrecken, nicht gerade ist. Im Folgenden werden aus der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen 48a die an beiden Enden in der Strömungsfeld-Breitenrichtung bereitgestellten Rippen als „wellenförmige Endrippen 48a1“ bezeichnet werden. Die wellenförmigen Endrippen 48a1 sind innerhalb des äußeren Endes 44be der ersten Gas-Diffusionsschicht 44b bereitgestellt.
Ein Einlasspuffer 50A ist an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 zwischen dem Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a und dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 bereitgestellt. Der Einlasspuffer 50A umfasst eine Mehrzahl von Feldern von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 50a einschließen, welche in der Richtung angeordnet sind, die durch den Pfeil C angezeigt ist. Ferner ist ein Auslasspuffer 50B an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 zwischen dem Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b und dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 bereitgestellt. Der Auslasspuffer 50B umfasst eine Mehrzahl von Feldern von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 50b einschließen.
An einer Fläche 30b des ersten Metallseparators 30 gegenüber dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 sind Felder von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 67a einschließen, welche in der Richtung angeordnet sind, welche durch den Pfeil C angezeigt ist, zwischen den Feldern von Vorsprüngen des Einlasspuffers 50A bereitgestellt, und Felder von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 67b einschließen, welche in der Richtung angeordnet sind, welche durch den Pfeil C angezeigt ist, sind zwischen den Feldern von Vorsprüngen des Auslasspuffers 50B bereitgestellt (siehe 1). Die Vorsprünge 67a, 67b, welche an der Kühlmittelflächen-Seite vorstehen, bilden einen Puffer an der Kühlmittelfläche.
Eine erste Dichtungslinie 52 ist an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 durch Pressformen gebildet. Die erste Dichtungslinie 52 steht in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vor (1). Wenngleich nicht gezeigt, kann Harzmaterial an den vorstehenden vorderen Flächen der ersten Dichtungslinie 52 durch Drucken, Beschichten, etc. angebracht sein. Auf das Harzmaterial kann verzichtet sein.
Die erste Dichtungslinie 52 umfasst eine Mehrzahl von Lippendichtungen 53, welche jeweils um eine Mehrzahl von Fluiddurchgängen (Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, etc.) herum bereitgestellt sind (im Folgenden als die „Durchgangslippen“ 53 bezeichnet), sowie eine Lippendichtung 54, welche um das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 herum bereitgestellt ist, den Einlasspuffer 50A und den Auslasspuffer 50B (im Folgenden als die „äußere Umfangslippe 54“ bezeichnet).
Die Mehrzahl von Durchgangslippen 53 stehen von der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vor und sind jeweils um den Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, den Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b, den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a, den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b, den Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und den Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b herum bereitgestellt. Im Folgenden wird aus der Mehrzahl von Durchgangslippen 53 die um den Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a herum bereitgestellte Durchgangslippe als die „Durchgangslippe 53a“ bezeichnet werden, und die um den Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b herum bereitgestellte Durchgangslippe wird als die „Durchgangslippe 53b“ bezeichnet werden.
Der erste Metallseparator 30 weist Brückenbereiche 80, 82 auf, welche die Innenseite (Seite der Fluiddurchgänge 34a, 34b) der Durchgangslippen 53a, 53b und die Außenseite (Seite des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48) der Durchgangslippen 53a, 53b verbinden. Der Brückenbereich 80 ist benachbart zu einer Seite der Durchgangslippe 53a bereitgestellt, welche um den Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a herum gebildet ist, an der Seite näher zu dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48. Der Brückenbereich 82 ist benachbart zu einer Seite der Durchgangslippe 53b bereitgestellt, welche um den Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b herum gebildet ist, an der Seite näher zu dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48.
Die Brückenbereiche 80, 82 umfassen eine Mehrzahl von Tunneln 80t, 82t, welche jeweils innerhalb und außerhalb der Durchgangslippen 53a, 53b bereitgestellt sind. Die Tunnel 80t, 82t sind durch Pressformen in einer Weise gebildet, dass die Tunnel 80t, 82t von der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorstehen.
Erste Bypassstop-Vorsprünge 84 sind zwischen beiden Enden des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 in der Breitenrichtung (die wellenförmigen Endrippen 48a1) und der äußeren Umfangslippe 54 bereitgestellt. Die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 verhindern ein Umströmen des sauerstoffhaltigen Gases von dem Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a zu dem Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Strömungsfeld-Breitenrichtung des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 die Richtung (angezeigt durch den Pfeil C) entlang den kurzen Seiten des rechteckigen ersten Metallseparators 30. Die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 sind dazu gebildet, in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorzustehen. Eine Mehrzahl der ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 sind in Intervallen in der Richtung (angezeigt durch den Pfeil B) angeordnet, in welcher sich die wellenförmigen Endrippen 48a1 erstrecken.
In 4 sind die Seitenwände 84s an beiden Seiten von jedem aus den ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84 in ihre Breitenrichtung (durch den Pfeil B angezeigt) von der Separator-Dickenrichtung geneigt, und die Querschnittsform der ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 ist eine Trapezoidform. Es sollte festgehalten werden, dass die Seitenwände 84s an beiden Seiten der ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 in der Breitenrichtung parallel zu der Separator-Dickenrichtung sein können, und die Querschnittsform der ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 kann eine Rechteckform sein.
Jede der wellenförmigen Endrippen 48a1 umfasst vertiefte Kurven 87, welche von der äußeren Umfangslippe 54 weg vertieft sind, sowie vorstehende Kurven 88, welche in Richtung der äußeren Umfangslippe 54 vorstehen. Die Mehrzahl von ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84 umfasst erste Bypassstop-Vorsprünge 84a, welche zwischen den vertieften Kurven 87 der wellenförmigen Endrippe 48a1 und der äußeren Umfangslippe 54 bereitgestellt sind, sowie erste Bypassstop-Vorsprünge 84b, welche zwischen den vorstehenden Kurven 88 der wellenförmigen Endrippe 48a1 und der äußeren Umfangslippe 54 bereitgestellt sind. Die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84a und die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84b sind abwechselnd in Intervallen in der Richtung bereitgestellt, in welcher sich die wellenförmigen Endrippen 48a1 erstrecken.
Die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84a weisen jeweils ein Ende auf, welches mit der äußeren Umfangslippe 54 verbunden ist, sowie das andere Ende, welches mit der vertieften Kurve 87 der wellenförmigen Endrippe 48a1 verbunden ist. Die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84b weisen jeweils ein Ende auf, welches mit der äußeren Umfangslippe 54 verbunden ist, sowie das andere Ende, welches mit der vorstehenden Kurve 88 der wellenförmigen Endrippe 48a1 verbunden ist. Zwischenvorsprünge 89, welche den äußeren Umfangsabschnitt der MEA 28a tragen, sind zwischen den ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84a, 84b bereitgestellt, welche benachbart zueinander sind.
Die Zwischenvorsprünge 89 stehen in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vor. Eine Mehrzahl der Zwischenvorsprünge 89 sind in jedem Bereich zwischen den ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84a, 84b bereitgestellt, welche benachbart zueinander sind. In 4 sind beispielsweise zwei Zwischenvorsprünge 89 zwischen den ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84a, 84b bereitgestellt, welche benachbart zueinander sind, in Intervallen in der Richtung, in welcher sich die wellenförmige Endrippe 48a1 erstreckt. Die Zwischenvorsprünge 89 sind gebildet, um die Richtung zu schneiden, in welche sich die wellenförmige Endrippe 48a1 erstreckt. Die Zwischenvorsprünge 89 sind an Positionen bereitgestellt, welche mit dem äußeren Ende 44be der ersten Gas-Diffusionsschicht 44b überlappen, in der Stapelrichtung betrachtet.
In dem ersten Metallseparator 30 sind erste Tragevorsprünge 85 zwischen den vertieften Kurven 87 der wellenförmigen Endrippe 48a1 und den ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84a bereitgestellt. Die ersten Tragevorsprünge 85 tragen die Kathode 44 (erste Gas-Diffusionsschicht 44b). Die ersten Tragevorsprünge 85 sind durch Pressformen gebildet, um in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorzustehen. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt sich jeder der ersten Tragevorsprünge 85 integral zu dem ersten Bypassstop-Vorsprung 84a fort und setzt sich integral zu der vertieften Kurve 87 der wellenförmigen Endrippe 48a1 fort.
Wie in 2 gezeigt, trägt der erste Tragevorsprung 85 die Kathode 44 (erste Gas-Diffusionsschicht 44b) an einer Position, an welcher die MEA 28a und der Harzfilm 46 einander in der Dickenrichtung überlappen. Wie in 3 gezeigt, ist jeder der ersten Tragevorsprünge 85 an einer Position bereitgestellt, welche dem inneren Umfangsabschnitt 46n des rahmenförmigen Harzfilms 46 entspricht (an einer Position, welche mit dem inneren Umfangsabschnitt 46n des Harzfilms 46 in der Stapelrichtung betrachtet überlappt).
Wie in 4 gezeigt, ist eine Vertiefung 85a benachbart zu dem ersten Tragevorsprung 85 bereitgestellt. Die Vertiefung 85a ist von der Kathode 44 weg vertieft (die hintere Fläche der Vertiefung 85a steht in Richtung der Kühlmittelfläche vor). Die Vertiefung 85a ist an einer Erstreckungslinie des ersten Bypassstop-Vorsprungs 84a positioniert. Die Vertiefung 85a ist in Übereinstimmung mit jedem aus einer Mehrzahl der ersten Tragevorsprünge 85 bereitgestellt. Das heißt, dass eine Mehrzahl der Vertiefungen 85a in der Richtung gebildet sind, in welcher sich die wellenförmige Endrippe 48a1 erstreckt. Wie in 2 gezeigt ist, liegt das vordere Ende des Vorsprungs an der Rückseite der Vertiefung 85a an dem zweiten Metallseparator 32 an, welcher benachbart zu dem Vorsprung ist.
Wie in 1 gezeigt, weist der zweite Metallseparator 32 ein Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 an seiner Fläche 32a auf, welche zu der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 weist (im Folgenden als die „Fläche 32a“ bezeichnet). Beispielsweise erstreckt sich das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 in die Richtung, welche durch den Pfeil B angezeigt ist.
Wie in 5 gezeigt, ist das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 mit dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a und dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b verbunden (in Fluidkommunikation stehend). Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 umfasst eine Mehrzahl von wellenförmigen Strömungsnuten 58b zwischen einer Mehrzahl von wellenförmigen Rippen 58a, welche sich in die Richtung erstrecken, welche durch den Pfeil B angezeigt ist. Daher sind in dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 die Mehrzahl von wellenförmigen Rippen 58a und die Mehrzahl von wellenförmigen Nuten 58b abwechselnd in der Strömungsfeld-Breitenrichtung bereitgestellt, welche durch den Pfeil C angezeigt ist. Im Folgenden werden aus der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen 58a die an beiden Enden in der Strömungsfeld-Breitenrichtung bereitgestellten Rippen 58a als „wellenförmige Endrippen 58a1“ bezeichnet werden. Die wellenförmigen Endrippen 58a1 sind innerhalb der äußeren Enden 42be der zweiten Gas-Diffusionsschicht 42b bereitgestellt.
Ein Einlasspuffer 60A ist an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 zwischen dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a und dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 bereitgestellt. Der Einlasspuffer 60A umfasst eine Mehrzahl von Feldern von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 60a einschließen, welche sich in der Richtung erstrecken, welche durch den Pfeil C angezeigt ist. Ferner ist ein Auslasspuffer 60B, welcher eine Mehrzahl von Feldern von Vorsprüngen einschließt, an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 zwischen dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b und dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 bereitgestellt. Jedes der Felder von Vorsprüngen umfasst eine Mehrzahl von Vorsprüngen 60b.
An einer Fläche 32b des zweiten Metallseparators 32 gegenüber dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 sind Felder von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 69a einschließen, welche in der Richtung angeordnet sind, welche durch den Pfeil C angezeigt ist, zwischen den Feldern von Vorsprüngen des Einlasspuffers 60A bereitgestellt, und Felder von Vorsprüngen, welche jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen 69b einschließen, welche in der Richtung angeordnet sind, welche durch den Pfeil C angezeigt ist, sind zwischen den Feldern von Vorsprüngen des Auslasspuffers 60B bereitgestellt. Die Vorsprünge 69a, 69b bilden einen Puffer an der Kühlmittelfläche.
Eine zweite Dichtungslinie 62 ist an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 durch Presspassen gebildet, um in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorzustehen. Wenngleich nicht im Detail gezeigt, ist Harzmaterial an der vorstehenden vorderen Endfläche der zweiten Dichtungslinie 62 durch Drucken oder Beschichten angebracht. Auf das Harzmaterial kann verzichtet werden.
Wie in 5 gezeigt, umfasst die zweite Dichtungslinie 62 eine Mehrzahl von Lippendichtungen 63 (im Folgenden als „Durchgangslippen 63“ bezeichnet), welche jeweils um eine Mehrzahl von Fluiddurchgängen (Fluiddurchgänge 38a, etc.) herum bereitgestellt sind, sowie eine Lippendichtung 64 (im Folgenden auch als „äußere Umfangslippe 64“ bezeichnet), welche um das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58, den Einlasspuffer 60A und den Auslasspuffer 60B herum bereitgestellt sind.
Die Mehrzahl von Durchgangslippen 63 stehen von der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 vor und sind jeweils um den Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a, den Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b, den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a, den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b, den Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und den Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b herum bereitgestellt. Im Folgenden wird aus der Mehrzahl von Durchgangslippen 63 die um den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a herum gebildete Durchgangslippe als „Durchgangslippe 63a“ bezeichnet werden, und die um den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b herum gebildete Durchgangslippe wird als „Durchgangslippe 63b“ bezeichnet werden.
Der zweite Metallseparator 32 weist Brückenbereiche 90, 92 auf, welche die Innenseite (Seite der Fluiddurchgänge 38a, 38b) der Durchgangslippen 63a, 63b um den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a und den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b herum und die Außenseite (Seite des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58) der Durchgangslippen 63a, 63b verbinden. Der Brückenbereich 90 ist benachbart zu einer Seite der Durchgangslippe 63a bereitgestellt, welche um den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a herum gebildet ist, an der Seite näher zu dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58. Der Brückenabschnitt 92 ist benachbart zu einer Seite der Durchgangslippe 63b bereitgestellt, welche um den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b herum gebildet ist, an der Seite näher zu dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58. Brücken in den Brückenbereichen 92 sind in Intervallen bereitgestellt.
Die Brückenbereiche 90, 92 umfassen eine Mehrzahl von Tunneln 90t, 92t innerhalb und außerhalb der Durchgangslippen 63a, 63b. Die Tunnel 90t, 92t sind durch Pressformen gebildet, um von der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorzustehen (siehe 2).
Zweite Bypassstop-Vorsprünge sind zwischen beiden Enden des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 in der Breitenrichtung (den wellenförmigen Endrippen 58a1) und der anderen Umfangslippe 64 bereitgestellt. Die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94 verhindern ein Umströmen des Brennstoffgases von dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a zu dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Strömungsfeld-Breitenrichtung des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 die Richtung (durch den Pfeil C angezeigt) entlang den kurzen Seiten des rechteckigen zweiten Metallseparators 32. Die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94 sind gebildet, um in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorzustehen (siehe 2). Eine Mehrzahl der zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94 sind in Intervallen in der Richtung (durch den Pfeil B angezeigt) angeordnet, in welcher sich die wellenförmigen Endrippen 58a1 erstrecken.
Wie in 6 gezeigt, umfasst jede der wellenförmigen Endrippen 58a1 vertiefte Kurven 95, welche von der äußeren Umfangslippe 64 weg vertieft sind, sowie vorstehende Kurven 96, welche in Richtung der äußeren Umfangslippe 64 vorstehen. Die Mehrzahl von zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94 schließen zweite Bypassstop-Vorsprünge 94a ein, welche zwischen den vertieften Kurven 95 der wellenförmigen Endrippe 58a1 und der äußeren Umfangslippe 64 bereitgestellt sind, sowie zweite Bypassstop-Vorsprünge 94b, welche zwischen den vorstehenden Kurven 96 der wellenförmigen Endrippe 58a1 und der äußeren Umfangslippe 64 bereitgestellt sind. Die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94a und die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94b sind abwechselnd in Intervallen in der Richtung bereitgestellt, in welcher sich die wellenförmige Endrippe 58a1 erstreckt.
Die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94a weisen jeweils ein Ende auf, welches mit der äußeren Umfangslippe 64 verbunden ist, und das andere Ende, welches von der vertieften Kurve 95 der wellenförmigen Endrippe 58a1 beabstandet ist. Die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94b weisen jeweils ein Ende auf, welches mit der äußeren Umfangslippe 64 verbunden ist, und das andere Ende, welches mit der vorstehenden Kurve 96 der wellenförmigen Endrippe 58a1 verbunden ist. Zwischenvorsprünge 98, welche den äußeren Umfangsabschnitt der MEA 28a tragen, sind zwischen den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a, 94b bereitgestellt, welche benachbart zueinander sind. Die Zwischenvorsprünge 98 stehen in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vor.
Eine Mehrzahl der Zwischenvorsprünge 98 sind in jeder Position zwischen den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a, 94b bereitgestellt, welche benachbart zueinander sind. Die Richtung, in welcher die Mehrzahl von Zwischenvorsprüngen 98 zwischen den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a, 94b angeordnet sind, welche benachbart zueinander sind, ist verschieden von der Richtung, in welcher die Mehrzahl von Zwischenvorsprüngen 89 (4) zwischen den ersten Bypassstop-Vorsprüngen 84a, 84b angeordnet sind, welche benachbart zueinander sind. Insbesondere sind in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Mehrzahl von Zwischenvorsprüngen 98 in Intervallen in der Richtung bereitgestellt, in welcher die wellenförmige Endrippe 58a1 von der äußeren Umfangslippe 64 beabstandet ist (in der von dem Pfeil C angezeigten Richtung), zwischen den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a, 94b, welche benachbart zueinander sind. Die Zwischenvorsprünge 98 sind an Positionen bereitgestellt, welche mit dem äußeren Umfangsbereich und dem äußeren Ende 42be der zweiten Gas-Diffusionsschicht 42b in der Stapelrichtung betrachtet überlappen.
In dem zweiten Metallseparator 32 sind zweite Tragevorsprünge 100 zwischen den vertieften Kurven 95 der wellenförmigen Endrippe 58a1 und den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a bereitgestellt. Die zweiten Tragevorsprünge 100 tragen die Anode 42 (zweite Gas-Diffusionsschicht 42b). Die zweiten Tragevorsprünge 100 sind durch Pressformen gebildet, um in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorzustehen. Jeder der zweiten Tragevorsprünge 100 ist wie ein Bumerang in Draufsicht entlang der gekrümmten Form der vertieften Kurve 95 gebildet, in der Dickenrichtung des zweiten Metallseparators 32 betrachtet. Das heißt, dass die zweiten Tragevorsprünge 100 dazu gekrümmt sind, in Richtung der wellenförmigen Endrippe 58a1 in Draufsicht vorzustehen. Die Länge der zweiten Tragevorsprünge 100 in der Richtung, in welcher sich die wellenförmige Endrippe 58a1 erstreckt (die durch den Pfeil B angezeigte Richtung) ist größer als die Breite der zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94a. Das heißt, dass die zweiten Tragevorsprünge 100 von den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a in die Richtung vorstehen, in welcher sich die wellenförmige Endrippe 58a1 erstreckt (in die von dem Pfeil B angezeigte Richtung). Jeder der zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94 weist zu dem zentralen Teil des zweiten Tragevorsprungs 100 in der Längenrichtung.
Die Form der zweiten Tragevorsprünge 100 ist verschieden von der Form der ersten Tragevorsprünge 85 (4). In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die zweiten Tragevorsprünge 100 von den vertieften Kurven 95 der wellenförmigen Endrippe 58a1 und den zweiten Bypassstop-Vorsprüngen 94a beabstandet. In der Struktur ist es möglich, die Steifigkeit des zweiten Metallseparators 32 zu verbessern. Es sollte festgehalten werden, dass sich jeder der zweiten Tragevorsprünge 100 integral mit wenigstens einem aus der vertieften Kurve 95 der wellenförmigen Endrippe 58a1 und dem zweiten Bypassstop-Vorsprung 94a erstrecken kann.
Die zweiten Tragevorsprünge 100 sind an einer Position bereitgestellt, welche dem inneren Ende 46e des rahmenförmigen Harzfilms 46 entspricht (einer Position, welche mit dem inneren Ende 46e des Harzfilms 46 überlappt, in der Stapelrichtung betrachtet). Wie in 8 gezeigt, tragen die zweiten Tragevorsprünge 100 die Anode 42 (zweite Gas-Diffusionsschicht 42b) an der Position, an welcher der äußere Umfangsabschnitt der MEA 28a und der innere Umfangsabschnitt 46n des Harzfilms 46 einander in der Dickenrichtung überlappen.
Wie in 7 gezeigt, sind die wellenförmigen Rippen 48a das Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 und die wellenförmigen Rippen 58a des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 in der Stapelrichtung gesehen dazu gebildet, wellenförmige Formen aufzuweisen, welche die gleiche Wellenlänge und einander entgegengesetzte Phasen aufweisen. Die ersten Tragevorsprünge 85 des ersten Metallseparators 30 und die zweiten Tragevorsprünge 100 des zweiten Metallseparators 32 sind abwechselnd in der Richtung bereitgestellt, in welcher sich die wellenförmigen Rippen 48a, 58a erstrecken.
Wie in 2 gezeigt, weist jeder der ersten Tragevorsprünge 85 zu der wellenförmigen Endrippe 58a1 des zweiten Metallseparators 32 durch die MEA 28a. Daher überlappen, wie in 7 gezeigt, die ersten Tragevorsprünge 85 mit der wellenförmigen Endrippe 58a1 des zweiten Metallseparators in der Stapelrichtung betrachtet.
Wie in 8 gezeigt, weist jeder der zweiten Tragevorsprünge 100 zu der wellenförmigen Endrippe 48a1 des ersten Metallseparators 30 durch die MEA 28a. Daher überlappen, wie in 7 gezeigt, die zweiten Tragevorsprünge 100 mit der wellenförmigen Endrippe 48a1 des ersten Metallseparators 30 in der Stapelrichtung betrachtet.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Kühlmittel-Strömungsfeld 66 zwischen der Fläche 30b des ersten Metallseparators 30 und der Fläche 32b des zweiten Metallseparators 32 gebildet, welche miteinander verbunden sind. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 66 ist mit dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a und dem Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b verbunden (in Fluidkommunikation stehend). Das Kühlmittel-Strömungsfeld 66 ist durch Stapeln der Fläche des ersten Metallseparators 30 an der Rückseite des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 und der Fläche des zweiten Metallseparators 32 an der Rückseite des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 zusammen gebildet.
Der Betrieb der Stromerzeugungszelle 12 mit der oben beschriebenen Struktur wird im Folgenden beschrieben werden.
Zunächst wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, zu dem Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a zugeführt. Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, wird an den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a zugeführt. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise reines Wasser, Ethylenglykol, Öl, wird zu dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a zugeführt.
Das sauerstoffhaltige Gas wird von dem Zufuhrdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34a in das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 des ersten Metallseparators zugeführt. Dann strömt, wie in 3 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas entlang des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 in die durch den Pfeil B angezeigte Richtung, und das sauerstoffhaltige Gas wird zu der Kathode der MEA 28a zugeführt.
In der Zwischenzeit strömt, wie in 1 gezeigt, das Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 38a in das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 des zweiten Metallseparators 32. Wie in 5 gezeigt, strömt das Brennstoffgas entlang des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 in der durch den Pfeil B gezeigten Richtung, und das Brennstoffgas wird zu der Anode 42 der MEA 28a zugeführt.
Daher werden in jeder MEA 28a das zu der Kathode 44 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das zu der Anode 42 zugeführte Brennstoffgas in elektrochemischen Reaktionen in der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 44a und der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 42a verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Dann strömt, wie in 1 gezeigt, das an die Kathode 44 zugeführte und dort verbrauchte sauerstoffhaltige Gas von dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 zu dem Abgabedurchgang für sauerstoffhaltiges Gas 34b und das sauerstoffhaltige Gas wird entlang des Abgabedurchgangs für sauerstoffhaltiges Gas 34b in die von dem Pfeil A angezeigte Richtung abgegeben. In gleicher Weise strömt das an die Anode 42 zugeführte und dort verbrauchte Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 zu dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b und das Brennstoffgas wird entlang des Brennstoffgas-Abgabedurchgangs 38b in die von dem Pfeil A angezeigte Richtung abgegeben.
Ferner strömt das zu dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 36a zugeführte Kühlmittel in das zwischen dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 gebildete Kühlmittel-Strömungsfeld 66. Hiernach strömt das Kühlmittel in die von dem Pfeil B angezeigte Richtung. Nachdem das Kühlmittel die MEA 28a kühlt, wird das Kühlmittel von dem Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b abgegeben.
In diesem Fall bietet die Stromerzeugungszelle 12 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile.
In der Stromerzeugungszelle 12 sind die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 zwischen den vertieften Kurven 87, welche von der äußeren Umfangslippe 54 in der wellenförmigen Endrippe 48a1 weg vertieft sind, und der äußeren Umfangslippe 54 bereitgestellt. Der erste Metallseparator 30 weist die ersten Tragevorsprünge 85 zum Tragen der Kathode 44 auf. Die ersten Tragevorsprünge 85 sind jeweils zwischen der vertieften Kurve 87 und dem ersten Bypassstop-Vorsprung 84 bereitgestellt (4). Ferner sind die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94 zwischen den vertieften Kurven 95, welche von der äußeren Umfangslippe 64 in der wellenförmigen Endrippe 58a1 weg vertieft sind, und der äußeren Umfangslippe 64 bereitgestellt. Der zweite Metallseparator 32 weist die zweiten Tragevorsprünge 100 zum Tragen der Anode 42 auf (6).
Daher ist es möglich, die Enden der MEA 28a in der Breitenrichtung (die Enden in der von dem Pfeil C angezeigten Richtung) nicht nur durch die ersten Bypassstop-Vorsprünge 84 und die zweiten Bypassstop-Vorsprünge 94 zu tragen, sondern auch durch die ersten Tragevorsprünge 85 und die zweiten Tragevorsprünge 100. Es ist daher möglich, die Abnahme des Flächendrucks (der Anzugslast) an den Enden der MEA 28a in der Breitenrichtung zu verhindern. Dementsprechend ist es möglich, eine Abnahme der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Stromerzeugung aufgrund der Abnahme des auf die Stromerzeugungszelle 12 ausgeübten Flächendrucks zu verhindern.
In der Stromerzeugungszelle 12 sind die Tragevorsprünge (der erste Tragevorsprung 85 und der zweite Tragevorsprung 100) in dem ersten Metallseparator 30 bzw. dem zweiten Metallseparator 32 bereitgestellt. In der Struktur ist es möglich, die Abnahme des Flächendrucks an den Enden der Stromerzeugungszelle 12 in der Breitenrichtung in sowohl dem ersten Metallseparator 30 als auch dem zweiten Metallseparator 32 zu verhindern. Die ersten Tragevorsprünge 85 des ersten Metallseparators 30 und die zweiten Tragevorsprünge 100 des zweiten Metallseparators 32 sind abwechselnd in der Richtung positioniert, in welcher sich die wellenförmigen Rippen 48a, 58a erstrecken (7). In der Struktur ist es möglich, die MEA 28a in der Richtung geeignet zu tragen, in welcher sich die wellenförmigen Rippen 48a, 58a erstrecken.
Die ersten Tragevorsprünge 85 und die zweiten Tragevorsprünge 100 weisen verschiedene Formen auf. In der Struktur ist es möglich, die ersten Tragevorsprünge 85 und die zweiten Tragevorsprünge 100 mit den Formen bereitzustellen, welche geeignet sind, die Kathode 44 bzw. die Anode 42 in dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 zu tragen.
Die ersten Tragevorsprünge 85 des ersten Metallseparators 30 weisen zu der wellenförmigen Endrippe 58a1 des zweiten Metallseparators 32 durch die MEA 28a (2). Die zweiten Tragevorsprünge 100 des zweiten Metallseparators 32 weisen zu der wellenförmigen Endrippe 48a1 des ersten Metallseparators 30 durch die MEA 28a (8). In der Struktur ist die MEA 28a zwischen den ersten Tragevorsprüngen 85 und der wellenförmigen Endrippe 58a1 des zweiten Metallseparators 32 getragen, und die MEA 28a ist zwischen den zweiten Tragevorsprüngen 100 und der wellenförmigen Endrippe 48a1 des ersten Metallseparators 30 getragen. Daher ist es möglich, die Abnahme des Flächendrucks an den Enden der MEA 28a in der Breitenrichtung effektiv in einem größeren Maße zu unterdrücken.
In einer Stromerzeugungszelle (12) sind erste Bypassstop-Vorsprünge (84) zum Verhindern eines Umströmens eines sauerstoffhaltigen Gases zwischen einem Ende eines Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas (48) in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung und einer äußeren Umfangslippe (54) bereitgestellt. Eine wellenförmige Endrippe (48a1) umfasst Kurven (87), welche von der äußeren Umfangslippe (54) vertieft sind. Die ersten Bypassstop-Vorsprünge (84) sind zwischen den vertieften Kurven (87) und der äußeren Umfangslippe (54) bereitgestellt. Ein erster Metallseparator (30) weist erste Tragevorsprünge (85) zum Tragen einer Kathode (44) zwischen den vertieften Kurven (87) und den ersten Bypassstop-Vorsprüngen (84) auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5239091 [0004, 0005]

Claims

Stromerzeugungszelle (12), umfassend: eine Membran-Elektroden-Anordnung (28a), welche durch Bereitstellen von Elektroden an beiden Seiten einer Elektrolytmembran gebildet ist; und Metallseparatoren (30, 32), welche an beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung (28a) bereitgestellt sind, wobei die Stromerzeugungszelle (12) eine Mehrzahl von wellenförmigen Rippen (48a, 58a), welche sich von einem Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren (30, 32) erstrecken, und eine Mehrzahl von wellenförmigen Strömungsnuten (48b, 58b) aufweist, welche zwischen der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen (48a, 58a) gebildet sind, wobei ein Reagentengas-Strömungsfeld (48, 58) in der Stromerzeugungszelle (12) gebildet ist, um es einem Reagentengas zu erlauben, von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren (30, 32) entlang einer Stromerzeugungsfläche zu strömen; wobei eine Lippendichtung (54, 64), welche dazu eingerichtet ist, ein Austreten des Reagentengases zu verhindern, um das Reagentengas-Strömungsfeld (48, 58) herum bereitgestellt ist; wobei ein Bypassstop-Vorsprung (84, 94), welcher dazu eingerichtet ist, ein Umströmen des Reagentengases zu verhindern, zwischen einem Ende des Reagentengas-Strömungsfelds (48, 58) in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung und der Lippendichtung (54, 64) gebildet ist; wobei der Bypassstop-Vorsprung (84, 94) zwischen einer vertieften Kurve (87, 95), welche weg von der Lippendichtung (54, 64) an dem Ende der wellenförmigen Rippen (48a, 58a) in der Strömungsfeld-Breitenrichtung vertieft ist, und der Lippendichtung (54, 64) bereitgestellt ist; und wenigstens einer der Metallseparatoren (30) einen Tragevorsprung (85, 100) umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, die Elektrode zwischen der vertieften Kurve (87, 95) und dem Bypassstop-Vorsprung (84, 94) zu tragen.
Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 1, wobei der Tragevorsprung (85, 100) in jedem aus einem der Metallseparatoren (30) und dem anderen der Metallseparatoren (32) bereitgestellt ist.
Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 2, wobei der Tragevorsprung (85) von einem der Metallseparatoren (30) und der Tragevorsprung (100) des anderen der Metallseparatoren (32) abwechselnd in einer Richtung angeordnet sind, in welcher sich die wellenförmigen Rippen (48a, 58a) erstrecken.
Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Form des Tragevorsprungs (85) von einem aus einem Paar der Metallseparatoren (30) verschieden ist von einer Form des Tragevorsprungs (100) des anderen aus dem Paar von Metallseparatoren (32).
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Tragevorsprung (85) von einem der Metallseparatoren (30) zu der wellenförmigen Rippe (58a), welche an dem Ende in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des anderen der Metallseparatoren (32) bereitgestellt ist, durch die Membran-Elektroden-Anordnung (28a) weist.
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein rahmenförmiger Harzfilm (46) in einem äußeren Umfangsabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung (28a) bereitgestellt ist; und der Tragevorsprung (85, 100) die Elektrode an einer Position trägt, an welcher sich die Membran-Elektroden-Anordnung (28a) und der Harzfilm (46) in einer Dickenrichtung einander überlappen.
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Mehrzahl der Bypassstop-Vorsprünge (84, 94) in Intervallen in einer Richtung bereitgestellt sind, in welcher sich die wellenförmigen Rippen (48a, 58a) erstrecken.
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vertiefung (85a), welche an einer Kühlmittelflächen-Seite vorsteht, in einer Nähe des Tragevorsprungs (85) bereitgestellt ist, und ein vorderes Ende des Vorsprungs an einer Hinterseite der Vertiefung (85a) an dem Metallseparator (30, 32) benachbart zu dem Vorsprung anliegt.
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in einem der Metallseparatoren (30) der Tragevorsprung (85) zu dem Bypassstop-Vorsprung (84) und der wellenförmigen Rippe (48a1) fortgesetzt ist, welche an dem Ende in der Strömungsfeld-Breitenrichtung aus der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen (48a) bereitgestellt ist.
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem anderen der Metallseparatoren (32) der Tragevorsprung (100) von dem Bypassstop-Vorsprung (94) und der wellenförmigen Rippe (58a1), welche an dem Ende in der Strömungsfeld-Breitenrichtung aus der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen (58a) bereitgestellt ist, beabstandet ist.
Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 10, wobei der in dem anderen der Metallseparatoren (32) bereitgestellte Tragevorsprung (100) eine gekrümmte Form in Draufsicht aufweist.
Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 11, wobei der Tragevorsprung (100), welcher in dem anderen der Metallseparatoren (32) bereitgestellt ist, entlang einer gekrümmten Form der vertieften Kurve (95) gekrümmt ist.
Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 10, wobei eine Länge des Tragevorsprungs (100), welcher in dem anderen der Metallseparatoren (32) in einer Richtung bereitgestellt ist, in welcher sich die wellenförmigen Rippen (58a) erstrecken, größer ist als eine Breite des Bypassstop-Vorsprungs (94).
Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in einem der Metallseparatoren (30) der Tragevorsprung (85) zu dem Bypassstop-Vorsprung (84) und der wellenförmigen Rippe (48a1) fortgesetzt ist, welche an einem Ende in der Strömungsfeld-Breitenrichtung aus der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen (48a) bereitgestellt ist; und in dem anderen der Metallseparatoren (32) der Tragevorsprung (100) von dem Bypassstop-Vorsprung (94) und der wellenförmigen Rippe (58a1) beabstandet ist, welche an dem Ende in der Strömungsfeld-Breitenrichtung aus der Mehrzahl von wellenförmigen Rippen (58a) bereitgestellt ist.