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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die ein Rahmenelement enthält, das in einem Außenumfangsabschnitt einer Membranelektrodenanordnung vorgesehen ist.
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Beschreibung der verwandten Technik:
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Eine Brennstoffzelle (Stromerzeugungszelleneinheit: nachfolgend auch als Stromerzeugungszelle bezeichnet) enthält eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und ein Paar von Separatoren, welche die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Membranelektrodenanordnung wird durch Zusammenstapeln einer Anode, einer Festpolymerelektrolytmembran und einer Kathode gebildet. Im gestapelten Zustand ist ein Brenngasfließfeld zwischen der Anode und dem Separator vorgesehen und wird Brenngas dem Brenngasfließfeld zugeführt. Ferner ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld zwischen der Kathode und dem Separator vorgesehen, und wird ein sauerstoffhaltiges Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld zugeführt. Zum Beispiel ist eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen zusammengestapelt, um einen fahrzeugeigenen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Ferner hat in den letzten Jahren, wie im US-Patent Nr.
US 8 399 150 B2 offenbart, in einigen Fällen die Membranelektrodenanordnung die Form eines Rahmens, der mit einer MEA ausgestattet ist, die in ihrem Außenumfangsabschnitt ein Rahmenelement (Hilfsdichtung) enthält. Das Rahmenelement reduziert die Menge von teurem Material, das für die Festpolymerelektrolytmembran verwendet wird, und schützt die Festpolymerelektrolytmembran in der Form einer dünnen Membran mit geringer Festigkeit.
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In der
US 2016 / 0293976 A1 ist die Kathodenkatalysatorschicht kleiner als die Anodenkatalysatorschicht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In dem mit einer MEA ausgestatteten Rahmen ist der Innenumfangsabschnitt des Rahmenelements mit der MEA verbunden und ist der Außenumfangsabschnitt des Rahmenelements zwischen rippenförmige Dichtungen geschichtet, die auf einem Paar der Separatoren vorgesehen sind. Der mit MEA ausgestattete Rahmen braucht eine Struktur, in der das Paar der Separatoren gegen den Außenumfangsabschnitt des Rahmenelements gleichmäßig abgedichtet ist, und die MEA und das Paar der Separatoren mit einem geeigneten Kontaktdruck einander kontaktieren.
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Da insbesondere im Falle der Verwendung von Luft als sauerstoffhaltigem Gas eine große Gasmenge (Stickstoff, Kohlendioxid, etc.) in der Luft enthalten ist, ist in der Brennstoffzelle die Menge des sauerstoffhaltigen Gases, das dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld zugeführt wird, größer als die Menge des Brenngases, das dem Brenngasfließfeld zugeführt wird. Um jedoch diese Struktur zu realisieren, werden, wenn die Höhe von einem der Reaktionsgasfließfelder an einem des Separatorenpaars verändert wird, die Drücke, die von den Separatoren auf die MEA des Rahmenelements ausgeübt werden, jeweils ungleichmäßig, und wird die Stromerzeugungsleistung und die Haltbarkeit des Brennstoffzelle schlechter.
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Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung des obigen Problems gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einer einfachen Struktur anzugeben, die es möglich macht, die gewünschte Abdichtungsfunktion zu erzielen, und es möglich macht, sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas mit optimalen Mengen zuzuführen.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe gibt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 an.
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Die Brennstoffzelle enthält: eine Membranelektrodenanordnung, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Elektrolytmembran sowie eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die jeweils auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran vorgesehen sind, enthält; einen ersten Separator , der auf die erste Elektrode der Membranelektrodenanordnung gestapelt ist; und einen zweiten Separator, der auf die zweite Elektrode der Membranelektrodenanordnung gestapelt ist, wobei ein erstes Fließfeld zwischen dem ersten Separator und der ersten Elektrode ausgebildet ist, ein erstes Reaktionsgas dem ersten Fließfeld zugeführt wird, ein zweites Fließfeld zwischen dem zweiten Separator und der zweiten Elektrode ausgebildet ist, und ein zweites Reaktionsgas dem zweiten Fließfeld zugeführt wird, wobei ein Rahmenelement einen Außenumfangsabschnitt des Membranelektrodenanordnung umgibt, wobei das Rahmenelement konfiguriert ist, um zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator gehalten zu werden; das Rahmenelement einen rahmenelementseitigen Innenumfangsabschnitt, der mit der Membranelektrodenanordnung verbunden ist, und einen rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt, der sich an den rahmenelementseitigen Innenumfangsabschnitt anschließt und dicker ist als der rahmenelementseitige Innenumfangsabschnitt, enthält; eine Höhe des durch den zweiten Separator gebildeten zweiten Fließfelds von der Membranelektrodenanordnung größer ist als eine Höhe des durch den ersten Separator gebildeten ersten Fließfelds von der Membranelektrodenanordnung; und eine Mittelposition der Membranelektrodenanordnung in Dickenrichtung und eine Mittelposition des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts in Dickenrichtung voneinander versetzt sind.
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Ferner sind eine Höhe der erste Dichtung, die zum Abdichten des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts des ersten Separators konfiguriert ist, und eine Höhe der zweiten Dichtung, die zum Abdichten des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts des zweiten Separators konfiguriert ist, gleich wobei die erste Dichtung und die zweite Dichtung eine Wulstdichtungsstruktur bilden.
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Das Rahmenelement kann eine erste rahmenförmige Schicht, die den rahmenelementseitigen Innenumfangsabschnitt enthält, und eine zweite rahmenförmige Schicht, die mit der ersten rahmenförmigen Schicht derart verbunden ist, dass die erste rahmenförmige Schicht und die zweite rahmenförmige Schicht gemeinsam den rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt bilden, aufweisen; und eine Dicke der zweiten rahmenförmigen Schicht kann größer als eine Dicke der ersten rahmenförmigen Schicht sein.
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Ferner kann das Rahmenelement eine erste rahmenförmige Schicht, die den rahmenelementseitigen Innenumfangsabschnitt, enthält, sowie eine zweite rahmenförmige Schicht, die mit der ersten rahmenförmigen Schicht derart verbunden ist, dass die erste rahmenförmige Schicht, und die zweite rahmenförmige Schicht, gemeinsam den rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt, bilden, aufweisen; und kann eine Dicke der ersten rahmenförmigen Schicht und eine Dicke der zweiten rahmenförmigen Schicht gleich sein.
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Ferner kann die erste rahmenförmige Schicht zwischen der Elektrolytmembran und der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode gehalten und damit verbunden sein.
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Ferner kann bevorzugt die erste Elektrode eine Anode sein und die zweite Elektrode eine Kathode sein; kann das erste Fließfeld konfiguriert sein, um ein wasserstoffhaltiges Gas als das erste Reaktionsgas der Anode zuzuführen; und kann das zweite Fließfeld konfiguriert sein, um ein sauerstoffhaltiges Gas als das zweiten Reaktionsgas der Kathode zuzuführen.
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Darüber hinaus können jeweils jede der Anode und der Kathode eine Struktur enthalten, in der eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht zusammengestapelt sind; und kann eine Dicke der Katalysatorschicht der Kathode größer sein als eine Dicke der Katalysatorschicht der Anode.
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In der vorliegenden Erfindung ist die Höhe des durch den zweiten Separator gebildeten zweiten Fließfelds größer als die Höhe des durch den ersten Separator gebildeten ersten Fließfelds. Daher wird es möglich, die Strömungsrate des dem zweiten Fließfeld zugeführten zweiten Reaktionsgases zu erhöhen. Das heißt, auch wenn die Gaskomponenten (Stickstoff, Kohlendioxid, etc.) außer dem Gas, das zu den Reaktionen beiträgt, mit dem zweiten Reaktionsgas gemischt sind, wird es möglich, das Gas, das zu den Reaktionen beiträgt, ausreichend zuzuführen, und die Stromerzeugung in der Membranelektrodenanordnung geeignet auszuführen. Ferner sind die Mittelposition der Membranelektrodenanordnung in der Dickenrichtung und die Mittelposition des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts in der Dickenrichtung voneinander versetzt. Auch wenn daher die Struktur, in der die Höhe des durch den ersten Separator gebildeten ersten Fließfelds größer ist als die Höhe des durch den zweiten Separator gebildeten zweiten Fließfelds, in dem rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt vorliegt, ist es möglich, die gewünschte Dichtleistung zwischen jedem der Separatoren und dem Rahmenelement geeignet zu erzielen. Dementsprechend ist es möglich, die Stromerzeugungsleistung und die Haltbarkeit stark zu verbessern.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Stromerzeugungszelle gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie II-II in 1;
- 3 ist ein Gesamtdiagramm, das schematisch ein Brennstoffzellensystem darstellt; und
- 4 ist eine Querschnittsansicht von Hauptkomponenten einer Stromerzeugungszelle gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
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[Erste Ausführung]
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Wie in 1 gezeigt, enthält eine Stromerzeugungszelle (Brennstoffzelle) 12 gemäß einer ersten Ausführung einen Rahmen 10, der mit einer Membranelektrodenanordnung ausgestattet ist (nachfolgend als mit MEA ausgestatteter Rahmen 10 bezeichnet), und einen ersten Separator 14 und einen zweiten Separator 16, die auf den jeweiligen beiden Seiten des mit MEA ausgestatteten Rahmens 10 vorgesehen sind. Zum Beispiel ist die Stromerzeugungszelle 12 eine rechteckige Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle, die in Quer- (oder Längs-)Richtung langgestreckt ist. Die Stromerzeugungszellen 12 sind in der horizontalen Richtung zusammengestapelt, wie mit dem Pfeil A angegeben, um einen Brennstoffzellenstapel 11a zu bilden. Die Stromerzeugungszellen 12 können in der Schwerkraftrichtung zusammengestapelt sein. Zum Beispiel ist der Brennstoffzellenstapel 11 a, als fahrzeugeigener Brennstoffzellenstapel, in einem elektrischen Brennstoffzellenfahrzeug (nicht gezeigt) angebracht.
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Der mit MEA ausgestattete Rahmen 10 enthält eine Membranelektrodenanordnung 10a (nachfolgend als die „MEA 10a“ bezeichnet). Die MEA 10a enthält eine Elektrolytmembran 18 und eine Anode (erste Elektrode) 20 und eine Kathode 22 (zweite Elektrode), die jeweils auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 18 vorgesehen sind.
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Ferner ist die Stromerzeugungszelle 12 durch Schichten des mit MEA ausgestatteten Rahmens 10 zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16 ausgebildet. Jeweils der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 sind durch Pressformung eines dünnen Metallblechs ausgebildet, so dass sie im Querschnitt eine gewellte Form haben. Zum Beispiel ist das Metallblech ein Stahlblech, ein rostfreies Stahlblech, ein Aluminiumblech, ein galvanisiertes Stahlblech oder ein Metallblech, dessen Oberfläche antikorrosiv behandelt worden ist. Alternativ ist jeder des ersten Separators 14 und des zweiten Separators 16 durch Formen oder Schneiden eines Kohlenstoffelements gebildet.
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An einem Ende der Stromerzeugungszelle 12 in einer mit Pfeil B angegebenen Längsrichtung (horizontalen Richtung) sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a, ein Kühlmittelzuführkanal 32a und ein Brenngasabführkanal 34b vorgesehen. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a, der Kühlmittelzuführkanal 32a und der Brenngasabführkanal 34b erstrecken durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Stapelrichtung. Ein sauerstoffhaltiges Gas (zweites Reaktionsgas) wie etwa Luft wird durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zugeführt. Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol, Öl wird dem Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführt. Ein Brenngas (erstes Reaktionsgas) wie etwa wasserstoffhaltiges Gas wird durch den Brenngasabführkanal 34b abgeführt. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a, der Kühlmittelzuführkanal 32a und der Brenngasabführkanal 34b sind in der mit dem Pfeil C angegebenen vertikalen Richtung angeordnet.
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Am anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil B angegebenen Längsrichtung sind ein Brenngaszuführkanal 34a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmittelabführkanal 32b zum Abführen des Kühlmittels sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen. Der Brenngaszuführkanal 34a, der Kühlmittelabführkanal 32b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b erstrecken sind durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung. Der Brenngaszuführkanal 34a, der Kühlmittelabführkanal 32b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b sind in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet.
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Der erste Separator 14 hat auf seiner zum mit MEA ausgestatteten Rahmen 10 weisenden Oberfläche 14a ein Brenngasfließfeld (erstes Fließfeld) 38. Das Brenngasfließfeld 38 ist mit dem Brenngaszuführkanal 34a und dem Brenngasabführkanal 34b verbunden (siehe 2). Insbesondere ist das Brenngasfließfeld 38 zwischen dem ersten Separator 14 und der Anode 20 ausgebildet. Das Brenngasfließfeld 38 enthält eine Mehrzahl von geraden Fließnuten (oder welligen Fließnuten), die sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken.
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Der zweite Separator 16 hat auf seiner zum mit MEA ausgestatteten Rahmen 10 weisenden Oberfläche 16a ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 (zweites Fließfeld). Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b verbunden (siehe auch 2). Insbesondere ist das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 zwischen dem zweiten Separator 16 und der Kathode 22 ausgebildet. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 enthält eine Mehrzahl von geraden Fließnuten (oder welligen Fließnuten), die sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken.
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Ferner sind die Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 12 zusammengestapelt, wobei ein Kühlmittelfließfeld 40 zwischen einer Oberfläche 14b des ersten Separators 14 und einer Oberfläche 16b des zweiten Separators 16, die einander benachbart sind, ausgebildet ist. Das Kühlmittelfließfeld 40 ist mit dem Kühlmittelzuführkanal 32a und dem Kühlmittelabführkanal 32b verbunden. Das Kühlmittelfließfeld 40 erstreckt sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung.
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Wie in 2 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Rippen 39, die das Brenngasfließfeld 38 bilden, auf der Oberfläche 14a des ersten Separators 14 vorgesehen (die zum mit MEA ausgestatteten Rahmen 10 weist). Die Rippen 39 erstrecken sich zur Anode 20 und kontaktieren die Anode 20. Eine Mehrzahl von Rippen 37, die das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 bilden, sind auf der Oberfläche 16a des zweiten Separators 16 vorgesehen (die zum mit MEA ausgestatteten Rahmen 10 weist). Die Rippen 37 erstrecken sich zu der Kathode 22 und kontaktieren die Kathode 22. Das heißt, die Rippen 37 und die Rippen 39 weisen aufeinander zu, und die MEA 10a ist zwischen den Rippen 37 und den Rippen 39 aufgenommen.
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Ferner ist in der Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Höhe SH2 der Rippen 37 des zweiten Separators 16 größer als eine Höhe SH1 der Rippen 39 des ersten Separators 14. Im Gegensatz hierzu sind die Breiten der flachen Abschnitte der Rippen 37, 39 der ersten und zweiten Separatoren 14, 16 (Abschnitte, die die Anode 20 und die Kathode 22 kontaktieren, und ein Abschnitt, wo die Separatoren 14, 16 einander kontaktieren) gleich. Daher ist die Kanalquerschnittsfläche des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 36, das in dem zweiten Separator 16 ausgebildet ist, größer als die Kanalquerschnittsfläche des Brenngasfließfelds 38, das in dem ersten Separator 14 ausgebildet ist.
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Zum Beispiel ist die Elektrolytmembran 18 der MEA 10a eine Festpolymerelektrolytmembran (Kationenaustauschermembran). Zum Beispiel ist die Festpolymerelektrolytmembran eine dünne Membran aus wasserhaltiger Perfluorsulfonsäure. Als die Elektolytmembran 18 kann ein Elektrolyt auf Fluorbasis verwendet werden. Alternativ kann als die Elektrolytmembran 18 ein Elektrolyt auf KW (Kohlenwasserstoff)-Basis verwendet werden.
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Die Anode 20 enthält eine ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a, die mit einer Oberfläche 18a der Elektrolytmembran 18 verbunden ist, sowie eine erste Gasdiffusionsschicht 20b, die auf die erste Elektrodenkatalysatorschicht 20a gestapelt ist. Die ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a und die erste Gasdiffusionsschicht 20b haben die gleiche Oberflächenabmessung (Außengröße), und die Oberflächenabmessung der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a und der ersten Gasdiffusionsschicht 20b ist größer als die Oberflächenabmessungen der Elektrolytmembran 18 und der Kathode 22.
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Die Kathode 22 enthält eine zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 20a, die mit der anderen Oberfläche 18b der Elektrolytmembran 18 verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht 22b, die auf die zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a gestapelt ist. Die zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a und die zweite Gasdiffusionsschicht 22b haben die gleichen Oberflächenabmessung (Außengröße), die auch gleich der Oberflächenabmessung der Elektrolytmembran 18 ist. Somit sind in der Oberflächenrichtung der Elektrolytmembran 18 (in der mit dem Pfeil C in 2 angegebenen Richtung) ein Außenende 22e der Kathode 22 und eine Außenende 18e der Elektrolytmembran 18 an der gleichen Position.
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Das Außenende 22e der Kathode 22 und das Außenende 18e der Elektrolytmembran 18 sind über den gesamten Umfang innerhalb eines Außenendes 20e der Anode 20 angeordnet. Es sollte angemerkt werden, dass die Oberflächenabmessung der Kathode 22 größer sein kann als die Oberflächenabmessung der Anode 20, und dass das Außenende 22e der Kathode 22 auch über den gesamten Umfang außerhalb des Außenendes 20e angeordnet sein kann (siehe auch 4). Alternativ können die Anode 20 und die Kathode 22 die gleiche Oberflächenabmessung haben, und können das Außenende 20e der Anode 20 und das Außenende 22e der Kathode 22 an der gleichen Position in der Oberflächenrichtung der Elektrolytmembran 18 vorgesehen sein (in der mit dem Pfeil C in 2 angegebenen Richtung).
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Zum Beispiel ist die erste Elektrodenkatalysatorschicht 20a aus porösen Kohlenstoffpartikeln gebildet, die gleichmäßig auf die Oberfläche der ersten Gasdiffusionsschicht 20b zusammen mit einen lonen-leitfähigen Polymerbindemittel und einer auf den porösen Kohlenstoffpartikeln getragenen Platinlegierung aufgelagert sind. Zum Beispiel ist die zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 20a aus porösen Kohlenstoffpartikeln gebildet, die gleichmäßig auf der Oberfläche der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b zusammen mit einem lonen-leitfähigen Polymerbindemittel und auf den porösen Kohlenstoffpartikel getragener Platinlegierung aufgelagert sind. Die Oberflächenabmessung der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 20a ist kleiner als die Oberflächenabmessung der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a.
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Die erste Gasdiffusionsschicht 20b und die zweite Gasdiffusionsschicht 22b sind aus Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofftuch etc. hergestellt. Die Oberflächenabmessung der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b ist kleiner als die Oberflächenabmessung der ersten Gasdiffusionsschicht 20b.
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In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Dicke CT2 der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a größer als eine Dicke CT1 der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a. Hingegen haben die erste Gasdiffusionsschicht 20b und die zweite Gasdiffusionsschicht 22b die gleiche Dicke. Daher ist die Dicke der Kathode 22 etwas größer als die Dicke der Anode 20. Das heißt, eine Mittelposition MO der MEA 10a in der Dickenrichtung ist von der Mittelposition der Elektrolytmembran 18 in der Dickenrichtung zur Kathode 22 hin verschoben. Es sollte angemerkt werden, dass die elektrisch leitfähige poröse Schicht zwischen der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a und der ersten Gasdiffusionsschicht 20b sowie zwischen der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a und der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b eingefügt sein kann.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, enthält der mit MEA ausgestattete Rahmen 10 ferner ein Rahmenelement (Hilfsdichtung) 24. Das Rahmenelement 24 umgibt das Außenende der Elektrolytmembran 18 und ist mit der Anode 20 und der Kathode 22 verbunden. Das Rahmenelement 24 enthält, in einem rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt 25, zwei rahmenförmige Schichten mit unterschiedlichen Dicken. Insbesondere enthält das Rahmenelement 24 eine erste rahmenförmige Schicht 24a und eine zweite rahmenförmige Schicht 24b. Die erste rahmenförmige Schicht 24a erstreckt sich von dem rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt 25 des Rahmenelements 24 einwärts und ist mit dem Außenumfangsabschnitt der MEA 10a verbunden. Die zweite rahmenförmige Schicht 24b ist mit dem Außenumfangsabschnitt 24ao der ersten rahmenförmigen Schicht 24a verbunden. Die erste rahmenförmige Schicht 24a und die zweite rahmenförmige Schicht 24b sind in der Dickenrichtung durch eine aus Klebstoff hergestellte Klebstoffschicht 24c miteinander verbunden. Daher ist der rahmenelementseitige Außenumfangsabschnitt 25 des Rahmenelements 24 dicker als der rahmenelementseitige Innenumfangsabschnitt 26 des Rahmenelements 24.
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Die Dicke der ersten rahmenförmigen Schicht 24a ist kleiner als die Dicke der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b. Ein Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a erstreckt sich von einem mit der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b verbundenen Außenumfangsabschnitt 24ao und von dem innerhalb der MEA 10a vorgesehenen rahmenelementseitigen Innenumfangsabschnitt 26 einwärts und ist mit der MEA 10a verbunden.
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Insbesondere ist der Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24e zwischen einem Außenumfangsabschnitt 18c der Elektrolytmembran 18 und einem Außenumfangsabschnitt 20c der Anode 20 gehalten. Der Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a und der Außenumfangsabschnitt 18c der Elektrolytmembran 18 sind durch die Klebstoffschicht 24c miteinander verbunden.
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In der Struktur ist in der Anode 20 an einer einem Innenende 24ae der ersten rahmenförmigen Schicht 24a entsprechenden Position eine Stufe ausgebildet. Das heißt, die Anode 20 enthält einen geneigten Bereich 21c zwischen einem mit dem Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a überlappenden Bereich 21a und einem mit der Elektrolytmembran 18 überlappenden Bereich 21b. Die erste Elektrodenkatalysatorschicht 20a und die erste Gasdiffusionsschicht 20b in dem geneigten Bereich 21c sind relativ zu der Elektrolytmembran 18 geneigt.
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In der Anode 20 ist eine Oberfläche des mit dem Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a überlappenden Bereich benachbart dem ersten Separator 14 mit Abstand von der Elektrolytmembran 18 angeordnet, im Vergleich zu einer Oberfläche des mit der Elektrolytmembran 18 überlappenden Bereichs 21 b benachbart dem ersten Separator 14.
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Hingegen hat die Kathode 22 von einem mit der Elektrolytmembran 18 überlappenden Bereich 23b bis zu einem mit dem Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a überlappenden Bereich 22a eine flache Form. Daher sind die zweite Elektrodenkatalysatorschicht 22a und die zweite Gasdiffusionsschicht 22b von dem mit der Elektrolytmembran 18 überlappenden Bereich 23b bis zu dem mit dem Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a überlappenden Bereich 23a zur Elektrolytmembran 18 parallel. Es sollte angemerkt werden, dass die Kathode 22 einen geneigten Bereich enthalten kann, der dem geneigten Bereich 21 c der Anode 20 entspricht.
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Eine Dicke FT1 des Außenumfangsabschnitts 24ao der ersten rahmenförmigen Schicht 24a (Dicke von der Mitte der Klebstoffschicht 24a zur Außenseite der ersten rahmenförmigen Schicht 24a) und eine Dicke FT2 der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b (Dicke von der Mitte der Klebstoffschicht 24c zur Außenseite der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b), haben die Beziehung von FT1 < FT2. Daher ist der rahmenelementseitige Außenumfangsabschnitt 25 des Rahmenelements 24 ausreichend dicker als der rahmenelementseitige Innenumfangsabschnitt 26. Eine Mittelposition FO in der Dickenrichtung des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts 25 ist innerhalb der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b angeordnet.
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In dieser Hinsicht sind die Mittelposition FO des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts 25 des Rahmenelements 24 und die Mittelposition MO der MEA 10a in der Dickenrichtung in Querschnittseitenansicht voneinander verschoben (versetzt). Zum Beispiel ist die Mittelposition FO des Rahmenelements 24 in der Dickenrichtung von der Mittelposition MO der MEA 10a in der Dickenrichtung zu dem zweiten Separator 16 hin verschoben. Anders ausgedrückt, die Stromerzeugungszelle 12 ist zwischen den Separatoren 14, 16 derart aufgenommen, dass die Position und die Dicke des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts 25 des Rahmenelements 24 und die Position und die Dicke der MEA 10a voneinander verschoben (unterschiedlich) sind. Ein Verschiebungsbetrag α zwischen der Mittelposition FO des Rahmenelements 24 in der Dickenrichtung und der Mittelposition MO der MEA 10a in der Dickenrichtung ist bei Berücksichtigung von zum Beispiel der Dicke der Stromerzeugungszelle 12 einschließlich der MEA 10a und des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts 25 und der Dicke von jedem der Separatoren 14, 16 ausgestaltet.
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Ein Innenende 24be der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b ist außerhalb des Innenendes 24ae der ersten rahmenförmigen Schicht 24a (in Richtung von der MEA 10a weg) angeordnet, und ist außerhalb des Außenendes 20e der Anode 20 und des Außenendes 22e der Kathode 22 angeordnet. Eine Lücke G ist zwischen dem Innenende 24be der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b und dem Außenende 24e der Kathode 22 ausgebildet. Die Lücke G bildet einen Teil eines später beschriebenen Kanals 36a.
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Die erste rahmenförmige Schicht 24a und die zweite rahmenförmige Schicht 24b sind aus Kunststoffmaterial hergestellt. Beispiele von Materialien, die für die erste rahmenförmige Schicht 24a und die zweite rahmenförmige Schicht 24b verwendet werden, enthalten PPS (Polyphenylensulfid), PPA (Polyphthalamid), PEN (Polyehtylennaphthalat), PES (Polyethersulfon), LCP (Flüssigkristallpolymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid), ein Silikonharz, ein Fluorharz, m-PPE (modifizierter Polyethylenether)-Harz, PET (Polyethylenterephthalat), PBT (Polybutylenterephthalat), oder modifiziertes Polyolefin.
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Die Klebstoffschicht 24c ist über einer Gesamtoberfläche 24as der ersten rahmenförmigen Schicht 24a näher zur zweiten rahmenförmigen Schicht 24b (näher zur Kathode) angeordnet. An der oben beschriebenen Lücke G liegt die erste rahmenförmige Schicht 24e zur Lücke G (Kanal 36a) durch die Klebstoffschicht 24c frei. Als Klebstoff der Klebstoffschicht 24c wird zum Beispiel Flüssigklebstoff oder eine Heißschmelzschicht vorgesehen. Der Klebstoff ist nicht auf flüssigen oder festen Klebstoff beschränkt, und er ist nicht auf thermoplastischen oder duroplastischen Klebstoff beschränkt.
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Eine erste Dichtungslinie 42 (Metallwulstdichtung: erste Dichtung) ist auf der Oberfläche 14a des ersten Separators 14 entlang dem Außenumfangsabschnitt des ersten Separators 14 vorgesehen. Die ersten Dichtungslinie 42 ist integriert mit dem ersten Separator 14 ausgebildet und ist zum Rahmenelement 24 hin erweitert. Die erste Dichtungslinie 42 wird elastisch verformt und kontaktiert den Außenumfangsabschnitt 24ao der ersten rahmenförmigen Schicht 24a (den mit der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b überlappten Bereich) luftdicht und flüssigkeitsdicht. Die erste Dichtungslinie 42 enthält einen Außenwulst 42a und einen Innenwulst 42b, der innerhalb des Außenwulsts 42a vorgesehen ist. Es sollte angemerkt werden, dass die erste Dichtungslinie 42 nur einen des Außenwulsts 42a und den Innenwulsts 42b enthalten kann. Ferner kann das Kunststoffmaterial auf einen Bereich zwischen die erste Dichtungslinie 42 und die erste rahmenförmige Schicht 24a geschichtet werden.
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Der Innenwulst 42b umgibt das Brenngasfließfeld 38, den Brenngaszuführkanal 34a und den Brenngasabführkanal 34b, und erlaubt eine Verbindung des Brenngasfließfelds 38 mit dem Brenngaszuführkanal 34a und dem Brenngasabführkanal 34b. In der gleichen Weise wie im Falle der Rippen 39, die das Brenngasfließfeld 38 bilden, ist, an einer Seitenfläche im Querschnitt, jeder der Wülste 42a, 42b zum Rahmenelement 24 hin verengt und hat eine trapezartige Form mit einem flachen vorstehenden Ende. Ein Kanal ist innerhalb der ersten Dichtungslinie 42 (an einer der MEA 10a näheren Seite) vorgesehen und zwischen dem ersten Separator 14 und dem Rahmenelement 24 ausgebildet. Der Kanal 38a ist mit dem Brenngasfließfeld 38 verbunden, und das Brenngas wird dem Kanal 38a zugeführt.
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Eine zweite Dichtungslinie 44 (Metallwulstdichtung: zweite Dichtung) ist auf der Oberfläche 16a des zweiten Separators 16 entlang dem Außenumfangsabschnitt des zweiten Separators 16 vorgesehen. Die zweite Dichtungslinie 44 ist integriert mit dem Separator 16 ausgebildet und ist zum Rahmenelement 24 hin erweitert. Die zweite Dichtungslinie 44 wird elastisch verformt und kontaktiert die zweite rahmenförmige Schicht 24b luftdicht und flüssigkeitsdicht. Die erste Dichtungslinie 42 und die zweite Dichtungslinie 44 weisen durch das Rahmenelement 24 aufeinander zu, und das Rahmenelement 24 wird zwischen der ersten Dichtungslinie 42 und der zweiten Dichtungslinie 44 gehalten. Die zweite Dichtungslinie 44 enthält auch einen Außenwulst 44a und einen Innenwulst 44b, der innerhalb des Außenwulsts 44a vorgesehen ist. Es sollte angemerkt werden, dass das Kunststoffelement auf einen Bereich zwischen der zweiten Dichtungslinie 44 und der zweiten rahmenförmigen Schicht 24 geschichtet werden kann.
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Der Innenwulst 44b umgibt das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a und den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b und erlaubt eine Verbindung des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 36 mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b. In der gleichen Weise wie die Rippen 37, die das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 bilden, ist auf einer Seitenfläche im Querschnitt jeder der Wülste 44a, 44b zu dem Rahmenelement 24 hin verengt und hat eine Trapezform mit einem flachen vorstehenden Ende. Der Kanal 36a ist innerhalb der zweiten Dichtungslinie 44 (an einer der MEA 10a näheren Seite) vorgesehen und ist zwischen dem zweiten Separator 16 und dem Rahmenelement 24 ausgebildet. Der Kanal 36a ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 verbunden, und das sauerstoffhaltige Gas wird dem Kanal 36a zugeführt. Die erste Dichtungslinie 42 und die zweite Dichtungslinie 44 können aus elastischem Gummimaterial integriert mit den Separatoren 14, 16 hergestellt sein.
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Ein Höhe BH1 von jedem der Wülste 42a, 42b der ersten Dichtungslinie 42 und eine Höhe BH2 von jedem der Wülste 44a, 44b der zweiten Dichtungslinie 44 sind gleich. Das heißt, an dem Verbindungsabschnitt zwischen dem Rahmenelement 24 und jedem Separator 14, 16 haben die erste Dichtungslinie 42 und die zweite Dichtungslinie 44 die gleiche Höhe BH1 = BH2. Hingegen ist in einem aktiven Bereich, wo die Elektrolytmembran 18 und jeder der Separatoren 14, 16 zusammengestapelt sind, die Höhe SH2 der das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 bildenden Rippen 37 größer als die Höhe SH1 der das Brenngasfließfeld 38 bildenden Rippen 39.
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Ferner liegen in dem ersten Separator 14 ein Boden 39a zwischen den Rippen 39 des Brenngasfließfelds 38 und dem Boden 42c zwischen den Wülsten 42a, 42b der ersten Dichtungslinie 42 in der gleichen Ebene (haben die gleiche Höhe). Ähnlich liegen in dem zweiten Separator 16 ein Boden 37a zwischen den Rippen 37 des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 36 und ein Boden 44c zwischen den Wülsten 44a, 44b der zweiten Dichtungslinie 44 in der gleichen Ebene (haben die gleiche Höhe).
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Wie in 3 gezeigt, enthält ein Brennstoffzellensystem 11 den obigen Brennstoffzellenstapel 11a, eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 50 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel 11a, eine Brenngaszuführvorrichtung 52 zum Zuführen des Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 11a, sowie eine Kühlmittelzuführvorrichtung 54 zum Zuführen eines Kühlmittels zu dem Brennstoffzellenstapel 11 a.
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Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 50 enthält ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 64a, das mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a (siehe 1) durch einen vor dem Brennstoffzellenstapel 11a vorgesehenen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführverteiler 58a verbunden ist, sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführrohr 64b, das mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b (siehe 1) durch einen für den Brennstoffzellenstapel 11a vorgesehenen Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 58b verbunden ist. Eine Luftpumpe 66 ist für das Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 64a vorgesehen. Ein Gegendruck-Regelventil 68 ist in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführrohr 64b vorgesehen.
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Ein Befeuchter 67 ist für das Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 64a und das Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführrohr 64b vorgesehen. In dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 64a ist die Luftpumpe 66 stromauf des Befeuchters 67 angeordnet. In dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführrohr 64b ist das Gegendruck-Regelventil 68 stromab des Befeuchters 67 vorgesehen. Eine Steuereinheit 70 des Brennstoffzellensystems 11 steuert die Betriebsgeschwindigkeit der Luftpumpe 66 und/oder den Ventilöffnungswinkel des Gegendruck-Regelventils 68, um den Druck des sauerstoffhaltigen Gases zu steuern, das durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 fließt.
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Die Brenngaszuführvorrichtung 52 enthält eine Brenngaszuführrohr 72a, das mit dem Brenngaszuführkanal 34a (siehe 1) durch einen für den Brennstoffzellenstapel 11a vorgesehenen Brenngas-Zuführverteiler 60a verbunden ist, sowie eine Brenngas-Abführrohr 72b, das mit dem Brenngasabführkanal 34b (siehe 1) durch einen für den Brennstoffzellenstapel 11a vorgesehenen Brenngas-Abführsammler 60b verbunden ist.
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Ein Wasserstofftank 74 zum Speichern von Hochdruckwasserstoff ist stromauf des Brenngaszuführrohrs 72a angeordnet. In dem Brenngaszuführrohr 72a sind ein Stoppventil 76, ein Druckregelventil 77 und ein Ejektor 78 zwischen dem Brenngaszuführverteiler 60a und dem Wasserstofftank 74 angeordnet. Ein Wasserstoffzirkulationskanal 80 ist mit dem Ejektor 78 und dem Brenngas-Abführrohr 72b verbunden. Eine Wasserstoffpumpe 82 zur Wasserstoffzirkulation ist in dem Wasserstoffzirkulationskanal 80 vorgesehen. Die Steuereinheit 70 steuert die Antriebsgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 82, um die Strömungsrate des Brenngases zu steuern, das durch das Brenngasfließfeld 38 fließt.
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Die Kühlmittelzuführvorrichtung 54 enthält einen Kühlmittelzirkulationskanal 84 zum Zirkulieren und Zuführen des Kühlmittels zu dem Brennstoffzellenstapel 11a. Der Kühlmittelzirkulationskanal 84 mit dem Kühlmittelzuführkanal 32a (siehe 1) durch einen für den Brennstoffzellenstapel 11a vorgesehenen Kühlmittel-Zuführverteiler 62a verbunden. Der Kühlmittelzirkulationskanal 84 ist mit dem Kühlmittelabführkanal 32b (siehe 1) durch einen Kühlmittel-Abführsammler 62b verbunden. Ein Kühler 86 und eine Kühlmittelpumpe 88 sind an dem Kühlmittelzirkulationskanal 84 vorgesehen. Die Steuereinheit 70 steuert die Antriebsgeschwindigkeit der Kühlmittelpumpe 88, um die Strömungsrate des Kühlmittels zu steuern, das durch das Kühlmittelfließfeld 40 fließt.
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Die Stromerzeugungszelle (Brennstoffzelle) 12 gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung hat grundlegend die obige Struktur. Nachfolgend werden die Herstellung der Stromerzeugungszelle 12 und der Betrieb des diese Stromerzeugungszelle 12 enthaltenden Brennstoffzellensystems 11 beschrieben.
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Bei der Herstellung der Stromerzeugungszelle 12 wird zuerst der mit MEA ausgestattete Rahmen 10 hergestellt, in dem die Elektrolytmembran 18 und die Anode 20 derart miteinander verbunden werden, dass das Rahmenelement 24 zwischen der Elektrolytmembran und der Anode 20 angeordnet ist. In diesem Fall wird die Klebstoffschicht 24c des Rahmenelements 24 an die Elektrolytmembran 18 geklebt. Dann wird der erste Separator 14 auf einer Oberfläche des mit MEA ausgestatteten Rahmens 10 angeordnet, und wird der Separator 16 auf der anderen Oberfläche des mit MEA ausgestatteten Rahmens 10 angeordnet. Der mit MEA ausgestattete Rahmen 10 wird zwischen den ersten Separator 14 und den zweiten Separator 16 geschichtet, um eine Wulstdichtungsstruktur zu bilden. Anstelle der Wulstdichtungen können auch Dichtungen aus elastischem Gummi verwendet werden. In diesem Fall haben die Dichtungen die gleiche Höhe.
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Wie oben beschrieben, sind in der Stromerzeugungszelle 12 die Höhe BH1 jedes Wulsts 42a, 42b der ersten Dichtungslinie 42 des ersten Separators 14 und die Höhe BH2 jedes Wulsts 44a, 44b der zweiten Dichtungslinie 44 des zweiten Separators 16 gleich (BH1 = BH2). Daher pressen die Dichtungslinien 42, 44 der Separatoren 14, 16 von beiden Seiten geeignet auf das Rahmenelement 24 und stehen miteinander in dichtem Kontakt.
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Nachdem die Stromerzeugungszelle 12 hergestellt ist, ist die Höhe SH2 der Rippen 37 des zweiten Separators 16 größer als die Höhe SH1 der Rippen 39 des ersten Separators 14, und ist die Mittelposition MO der MEA 10a, die in der Stapelrichtung zwischen den Separatoren 14, 16 geschichtet ist, von der Mittelposition FO des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts 25 des Rahmenelements 24 in der Dickenrichtung verschoben. Auch falls daher die Höhen der Rippen 37, 39 in den Separatoren 14, 16 voneinander unterschiedlich sind, wirkt der gleiche Kontaktdruck von der ersten Dichtungslinie 42 und der zweiten Dichtungslinie 44, die an beiden Seiten vorgesehen sind, durch das Rahmenelement 24, das von der MEA 10a versetzt ist, um eine gewünschte Dichtungsfunktion zu erzielen. Ferner können die Separatoren 14, 16 jeweils den Kontaktdruck in gleicher Höhe auf die Anode 20 und die Kathode 22 in der Oberflächenrichtung ausüben, und es wird möglich, einen gleichmäßigen Druck der Stapelstruktur zu erzielen.
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Das Brennstoffzellensystem 11 enthält den Brennstoffzellenstapel 11a, der durch Stapeln der Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 12 gebildet ist. Wie in 3 gezeigt, wird in der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 50 unter dem Betrieb der Luftpumpe 66 dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 64a Luft zugeführt. Nachdem die Luft durch den Befeuchter 67 befeuchtet ist, wird die Luft durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführverteiler 58a dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zugeführt (siehe 1). Der Befeuchter 67 erhöht in der zuzuführenden Luft den Wassergehalt und die Wärme, die von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 58b abgegeben wird.
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Unterdessen wird in der Brenngaszuführvorrichtung 52, unter dem Öffnungsbetrieb des Stoppventils 76, das Brenngas von dem Wasserstofftank 74 dem Brenngaszuführrohr 72a zugeführt. Hierbei wird das Brenngas durch den Brenngaszuführverteiler 60a dem Brenngaszuführkanal 34a zugeführt (siehe 1).
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Ferner wird in der Kühlmittelzuführvorrichtung 54 unter dem Betrieb der Kühlmittelpumpe 88 das Kühlmittel von dem Kühlmittelzirkulationskanal 84 dem Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführt (siehe 1).
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Daher wird, wie in 1 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zugeführt, wird das Brenngas dem Brenngaszuführkanal 34a zugeführt und wird das Kühlmittel dem Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführt.
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Daher fließt das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 des zweiten Separators 16, und bewegt sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, und wird das sauerstoffhaltige Gas der Kathode 22 der MEA 10a zugeführt. Unterdessen fließt das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 34a zu dem Brenngasfließfeld 38 des ersten Separators 14. Das Brenngas bewegt sich entlang dem Brenngasfließfeld 38 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, und das Brenngas wird der Anode 20 der MEA 10a zugeführt.
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Somit werden in der MEA 10a das der Kathode 22 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 20 zugeführte Brenngas in der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a und der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a durch elektrochemische Reaktionen partiell verbraucht, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Das sauerstoffhaltige Gas enthält, zusätzlich zum Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, etc. Daher ist in der Stromerzeugungszelle 12 bevorzugt die Strömungsrate des dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases größer als die Strömungsrate des dem Brenngasfließfeld 38 zugeführten Brenngases. In der Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt, ist die Höhe SH2 der Rippen 37 des zweiten Separators 16 größer als die Höhe SH1 der Rippen 39 des ersten Separators 14. Zum Beispiel ist es möglich, die Strömungsrate des sauerstoffhaltigen Gases zu erhöhen, während der Druck der dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 und dem Brenngasfließfeld 38 zugeführten Reaktionsgase auf der gleichen Höhe gehalten wird. In Abhängigkeit vom Betriebszustand etc. des Brennstoffzellensystems 11 kann eine Druckdifferenz zwischen den Drücken der Reaktionsgase in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 und dem Brenngasfließfeld 38 erzeugt werden.
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Ferner ist in der Ausführung der vorliegenden Erfindung die Dicke der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a der Kathode 22 größer als die Dicke der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a der Anode 20. Daher ist es möglich, das Ansprechverhalten an der Seite der Kathode 22 im Vergleich zu der Seite der Anode 20 zu verbessern.
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Zurück zu 1, wird das bei der Stromerzeugung partiell verbrauchte sauerstoffhaltige Gas in Richtung des Pfeils A entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b abgegeben. Ähnlich wird das bei der Stromerzeugung partiell verbrauchte Brenngas in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung entlang dem Brenngasabführkanal 34b abgegeben. Ferner fließt das dem Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführte Kühlmittel in das Kühlmittelfließfeld 40 zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16, und fließt dann in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel die Separatoren 14, 16 und die MEA 10a gekühlt hat, wird das Kühlmittel durch den Kühlmittelabführkanal 32b abgeführt.
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Wie oben beschrieben, ist in der Stromerzeugungszelle 12 (Brennstoffzelle) gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung die Höhe des durch den zweiten Separator 16 ausgebildeten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 36 größer als die Höhe des durch den ersten Separator 14 ausgebildeten Brenngasfließfelds 38. Somit wird es möglich, die Strömungsrate des dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases zu erhöhen. Das heißt, auch wenn die anderen Gaskomponenten (Stickstoff, Kohlendioxid, etc.) als das zu der Reaktion beitragende Gas mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt sind, ist es möglich, den Sauerstoff ausreichend zuzuführen und die Stromerzeugung in der MEA 10a geeignet durchzuführen. Ferner sind in der Stromerzeugungszelle 12 die Mittelposition MO der MEA 10a in der Dickenrichtung und die Mittelposition FO des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts 25 des Rahmenelements 24 in der Dickenrichtung voneinander versetzt. Daher ist es auch in der Struktur, in der die Höhe des durch den zweiten Separator 16 gebildeten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 36 größer ist als die Höhe des durch den ersten Separator 14 gebildeten Brenngasfließfelds 38, in dem rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt 25 möglich, die gewünschte Abdichtung zwischen jeweils den Separatoren 14, 16, und dem Rahmenelement 24 zu erzielen. Daher ist es möglich, die Stromerzeugungsleistung und die Haltbarkeit der Stromerzeugungszelle 12 stark zu verbessern.
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Ferner sind in der Stromerzeugungszelle 12 die Höhe jedes Wulsts 42a, 42b in der ersten Dichtungslinie 42 und die Höhe jedes Wulsts 44a, 44b in der zweiten Dichtungslinie 44 gleich. In der Struktur ist es während der Abdichtung durch die Wülste möglich, den gleichen Kontaktdruck von der ersten Dichtungslinie 42 und der zweiten Dichtungslinie 44 auf das Rahmenelement 24 auszuüben, um die Dichtungsfunktion zu erzielen. Somit wird es möglich, die MEA 10a und das Rahmenelement 24 zwischen den Separatoren 14, 16 mit dem Konstruktionsdruck geeignet zu halten.
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Ferner bilden die ersten und zweiten Dichtungslinien 42, 44 eine Wulstdichtungsstruktur. Somit sind die ersten und zweiten Dichtungslinien 42, 44 mit dem Rahmenelement 24 geeignet verbunden. Somit wird es möglich, die Stapelstruktur der MEA 10a innerhalb der ersten und zweiten Dichtungslinien 42, 44 und der ersten und zweiten Separatoren 14, 16 stabil auszubilden.
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Alternativ können die ersten und zweiten Dichtungslinien 42, 44 aus elastischem Gummimaterial gebildet sein. Auch in dieser Hinsicht ist es möglich, die Stapelstruktur der MEA 10a und der ersten und zweiten Separatoren 14, 16 geeignet auszubilden.
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Ferner ist in der Stromerzeugungszelle 12 die erste rahmenförmige Schicht 24a zwischen der Elektrolytmembran 18 und der Anode 20 angeordnet. In der Struktur wird es möglich, geeignet einen Zustand herzustellen, in dem MEA 10a von dem Rahmenelement 24 versetzt ist, und die MEA 10a und das Rahmenelement 24 fest aneinander zu fixieren.
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In der Stromerzeugungszelle 12, in der der zweite Separator 16 höher ist als der erste Separator 14, ist es möglich, die Kanalquerschnittsfläche des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 36 leicht zu vergrößern, und eine Struktur herzustellen, in der die Separatoren 14, 16 zusammengestapelt sind und aneinander abgestützt sind. Somit wird es möglich, die Strömungsrate des der Kathode 22 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases zu vergrößern und die Stromerzeugungseffizienz der MEA 10a zu verbessern.
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In der Stromerzeugungszelle 12 ist die Dicke der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 22a der Kathode 22 größer als die Dicke der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 20a der Anode 20. Daher ist es möglich, das Ansprechverhalten an der Seite der Kathode 22 im Vergleich zur Seite der Anode 20 zu verbessern.
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In der Stromerzeugungszelle 12 ist die Dicke der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 gleich der Dicke der ersten Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20. Daher kann das gleiche Material für sowohl die zweite Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 als auch die erste Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 verwendet werden. Falls der Brennstoffzellenstapel 11a durch die Stromerzeugungszellen 12 gebildet ist, wird es möglich, die Abmessung des Brennstoffzellenstapels 11a zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung etc. (die vom Laststrom abhängig ist) zu verbessern.
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[Zweite Ausführung]
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Nun wird eine Stromerzeugungszelle (Brennstoffzelle) 12A gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung im Bezug auf 4 beschrieben. In der folgenden Beschreibung ist die Struktur der Stromerzeugungszelle 12A identisch mit jener der Stromerzeugungszelle 12 gemäß der ersten Ausführung, oder ist die Struktur, deren Funktion zu jener der Stromerzeugungszelle 12 gemäß der ersten Ausführung identisch ist, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen.
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In dieser Stromerzeugungszelle 12A ist der rahmenelementseitige Innenumfangsabschnitt 26 eines Rahmenelements 90 zwischen der Elektrolytmembran 18 und der Kathode verbunden. In dieser Hinsicht unterscheidet sich die Stromerzeugungszelle 12A von der Stromerzeugungszelle 12 gemäß der ersten Ausführung. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Anode 20 von dem mit der Elektrolytmembran 18 überlappenden Bereich 21b zu dem mit dem Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a überlappenden Bereich 21a eine flache Form hat. Es sollte angemerkt werden, dass die Anode 20 auch einen geneigten Bereich entsprechend einem geneigten Bereich 23c der Kathode 22 aufweisen kann.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die Kathode 22 den geneigten Bereich 23c, der relativ zu der Elektrolytmembran 18 geneigt ist, zwischen dem mit der Elektrolytmembran 18 überlappenden Bereich 23b und dem mit dem Innenumfangsabschnitt 24an der ersten rahmenförmigen Schicht 24a überlappenden Bereich aufweist. Ferner ist die Oberflächenabmessung der Kathode 22 größer als die Oberflächenabmessung der Anode 20 (ein Außenende 22e der Kathode 22 ist außerhalb eines Außenendes 20e der Anode 20 angeordnet).
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Ferner hat das Rahmenelement 90 der Stromerzeugungszelle 12A eine Struktur, in der, in dem rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitt 25, die erste rahmenförmige Schicht 24a an einer dem zweiten Separator 16 näheren Seite angeordnet ist, und die zweite rahmenförmige Schicht 24b an einer dem ersten Separator 14 näheren Seite angeordnet ist. Ferner haben die Dicke FT1 des Außenumfangsabschnitts 24ao der ersten rahmenförmigen Schicht 24a des Rahmenelements 90 und die Dicke FT2 der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b die gleiche Größe (FT1 = FT2). In der Struktur ist die Mittelposition FO des Rahmenelements 90 in der Dickenrichtung in der Mitte der Klebstoffschicht angeordnet, wo die erste rahmenförmige Schicht 24a und die zweite rahmenförmige Schicht 24b aneinandergeklebt sind. Ferner ist die Mittelposition FO des Rahmenelements 90 in der Dickenrichtung von der Mittelposition MO eines aktiven Bereichs der MEA 10a in der Dickenrichtung versetzt.
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Das heißt, in dem Zustand, in dem der erste Separator 14, der zweite Separator 16 und das Rahmenelement 90 in dem Außenumfangsabschnitt der Stromerzeugungszelle 12A zusammengestapelt sind, sind die Höhe BH1 jedes Wulsts 42a, 42b der ersten Dichtungslinie 42 und die Höhe BH2 jedes Wulsts 44a, 44b der zweiten Dichtungslinie 44 gleich, und sind die Dicke FT1 der ersten rahmenförmigen Schicht 24a und die Dicke FT2 der zweiten rahmenförmigen Schicht 24b gleich. In der Struktur werden in der Stromerzeugungszelle 12A die Separatoren 14, 16 gegen die erste rahmen-förmige Schicht 24a und die zweite rahmenförmige Schicht 24b gepresst, und werden die Separatoren 14, 16 und die erste rahmenförmige Schicht 24a und die zweite rahmenförmige Schicht 24b dicht miteinander verbunden. Daher wird es möglich, den Kontaktdruck mit der gleichen Höhe auf die Anode 20 und die Kathode 22 innerhalb des Wulstdichtungsteils durch die Separatoren 14, 16 auszuüben. Somit wird es möglich, in der Stapel-struktur den geeigneten gleichmäßigen Druck zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen ersten und zweiten Ausführungen beschränkt. Es versteht sich, dass innerhalb der Idee der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann die Stromerzeugungszelle 12 das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zwischen der MEA 10a und dem ersten Separator 14 enthalten, sowie das Brenngasfließfeld 38 zum Zuführen des Brenngases zwischen der MEA 10a und dem zweiten Separator 16 (das heißt, eine Struktur, in der die Anode 20 und die Kathode 22 umgekehrt angeordnet sind). Auch in diesem Fall ist es möglich, eine Struktur anzuwenden, in der die Höhe des zweiten Separators 16 größer ist als die Höhe des ersten Separators 14.
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Eine Brennstoffzelle (12) enthält eine MEA (10a), einen ersten Separator (14) und einen zweiten Separator (16). Ein Rahmenelement (24) umgibt einen Außenumfangsabschnitt der MEA (10a) und ist zwischen dem ersten Separator (14) und dem zweiten Separator (16) gehalten. Die Höhe eines durch den zweiten Separator (16) gebildeten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds (36) von der MEA (10a) ist größer als die Höhe eines durch den ersten Separator (14) gebildeten Brenngasfließfelds (38) von der MEA (10a). Die Mittelposition (MO) der MEA (10a) in der Dickenrichtung und die Mittelposition (FO) des rahmenelementseitigen Außenumfangsabschnitts (25) des Rahmenelements (24) in der Dickenrichtung sind voneinander versetzt.
