HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festpolymer-Elektrolytmembran-
Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer
Mehrzahl der Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, und sie betrifft
insbesondere eine Technik, die wirksam ist, eine Vergrößerung und
Verkleinerung in der Stapelrichtung von Separatoren zu absorbieren.
Beschreibung der relevanten Technik
Brennstoffzellen beinhalten eine Festpolymer-Elektrolytmembran-
Brennstoffzelle, die gebildet wird, indem ein Elektrodenpaar an
entgegengesetzten Seiten der Festpolymerelektrolytmembrane vorgesehen
wird und deren Außenseite zwischen einem Paar von Separatoren
aufgenommen wird.
In dieser Brennstoffzelle ist ein Kanal für Brenngas (z. B. Wasserstoff) an
der gesamten Oberfläche eines zur einen Elektrode weisenden Separators
vorgesehen, ist ein Kanal für Oxidationsgas (z. B. sauerstoffhaltige Luft) an
der gesamten Oberfläche eines zur anderen Elektrode weisenden
Separators vorgesehen, und ist ein Kanal für ein Kühlmittel an einer der
Separatoroberflächen vorgesehen, die einer zur Elektrode weisenden
Oberfläche entgegengesetzt ist.
Wenn das Brenngas der Reaktionsoberfläche der einen Elektrode zugeführt
wird, wird der Wasserstoff ionisiert und bewegt sich durch die
Festpolymer-Elektrolytmembrane zur anderen Elektrode hin. Während des
Reaktionsprozesses erzeugte Elektronen werden zu einer externen
Schaltung abgeführt und werden als elektrische Gleichstromenergie
verwendet.
Da das Oxidationsgas der anderen Elektrode zugeführt wird, reagieren die
Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff miteinander, um
hierdurch Wasser zu erzeugen.
Die Oberfläche an der entgegengesetzten Seite der Elektrodenreaktions
ebene des Separators wird durch das zwischen den Separatoren fließende
Kühlmittel gekühlt.
Da diese Reaktionsgase und das Kühlmedium in jeweils unabhängigen
Kanälen fließen sollte, ist eine Abdichttechnik, die jeden Kanal abtrennt,
wichtig.
Die abzudichtenden Abschnitte umfassen: die Umfänge von Verbindungs
löchern, welche den Separator durchdringen, um das Reaktionsgas und das
Kühlmedium zu jeder Brennstoffzelleneinheit in dem Brennstoffzellenstapel
zu verteilen und zuzuführen, die Außenumfänge einer Membranelektroden
anordnung, die aus der Festpolymer-Elektrolytmembrane und einem an
entgegengesetzten Seiten angeordneten Elektrodenpaar gebildet ist, die
Außenumfänge einer Kühlmittteldurchtrittsebene des Separators sowie die
Außenumfänge der Vorder- und Rückseiten des Separators. Als
Abdichtmaterial wird ein elastisches und ausreichend federndes Material,
z. B. organischer Gummi, angewendet.
Falls die Brennstoffzellen in einer großen Anzahl unter Bildung des
Brennstoffzellenstapels gestapelt werden, und dieser Brennstoffzellenstapel
in einem Fahrzeug angebracht wird, könnte ein Fall auftreten, wo
Wassertropfen verspritzen und die Brennstoffzelle nass wird, in
Abhängigkeit von der Installationsposition, oder Staub in den Spalt
zwischen den Separatoren eindringt.
Jedoch kann das Abdichtmaterial verhindern, dass dieses Wasser und der
Staub in den Reaktionsgaskanal oder in den Kühlmittelkanal eindringt.
Wenn beim Stapeln der Separatoren ein Dickenunterschied zwischen der
Membranelektrodenanordnung vorhanden ist, oder wenn in dem Separator
eine Biegung oder Verdrehung vorhanden ist (insbesondere bei einem aus
Metall gefertigten dünnen Separator), oder wenn die von entgegen
gesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels ausgeübte Kompressionslast
ungleichmäßig ist, werden die Separatoren nicht parallel zueinander
gestapelt, und es kommt zu einer Schrägstellung oder Verwerfung. Somit
wird der Kompressionsbetrag jedes Dichtmaterials ungleichmäßig, und im
Ergebnis wird die Abdichtfähigkeit in dem Dichtungsmaterial, das einen
kleinen Kompressionsbetrag hat, schlechter.
Beim Stapeln der Separatoren ist es ebenfalls schwierig, diese Separatoren
genau zu stapeln, ohne ihre Relativpositionen entlang der Elektroden
reaktionsebene zu verschieben.
Als Maßnahmen gegen die obigen Probleme kann ein Verfahren in Betracht
gezogen werden, in dem verhindert wird, dass Fremdstoffe in den Spalt
zwischen den Separatoren eindringen, und die Separatoren parallel
zueinander gestapelt werden, indem man z. B. am Außenrand des
Separators ein aus Harz hergestelltes bilderrahmenförmiges Element
vorsieht.
Hierzu ähnliche Techniken sind z. B. in der ungeprüften japanischen
Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. Hei 10-74530, Hei 7-249417
und Sho 61-279069 offenbart.
Wenn jedoch das Abdichtmaterial oder die Membranelektrodenanordnung
in der Stapelrichtung der Separatoren durch Alterung im Lauf der Zeit
schrumpft, oder sich die Brennstoffzelle durch Wärmeeinfluss oder dgl.
ausdehnt oder kontrahiert, treten die folgenden Probleme auf.
Wenn z. B. die Überstandshöhe des Abdichtmaterials von dem Separator
niedriger wird als die Überstandshöhe des bilderrahmenförmigen Elements,
wird ein Schrumpf des Raums zwischen den Separatoren durch das
bilderrahmenförmige Element unterbunden. Somit könnte ein Spalt
zwischen dem Separator und dem Abdichtmaterial oder der Membran
elektrodenanordnung entstehen, wodurch eine Abnahme der Stromerzeu
gungsleistung entsteht, und demzufolge eine Situation entsteht, wo keine
Stromerzeugung möglich ist.
Wenn sich andererseits der Raum zwischen den Separatoren durch
Wärmeeinfluss oder dgl. ausdehnt, wird ein Abdichtmaterial, wie etwa
Gummi, in der Stapelrichtung der Separatoren elastisch entspannt und
gedehnt, und daher kann dieses Abdichtmaterial der Ausdehnung des
Raums zwischen den Separatoren im gewissen Umfang folgen, ohne sich
von dem Separator zu trennen. Da jedoch ein aus Harz oder dgl. gefertigtes
bilderrahmenförmiges Element sich in der Stapelrichtung der Separatoren
nicht dehnt, kann dieses die Ausdehnung des Raums zwischen den
Separatoren nicht aufnehmen.
Daher kommt es zu einem Spalt zwischen den bilderrahmenförmigen
Elementen, und dort können Fremdstoffe eindringen.
Ferner ist es erwünscht, eine Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel
zu verhindern, die einen elektrischen Stromfluss durch das Kühlmittel
verursacht, und ferner muss verhindert werden, dass benachbarte
Separatoren in dem Reaktionsgaskanal elektrisch kurzgeschlossen werden.
Da insbesondere im Falle einer Brennstoffzelle, die dünne Metallseparatoren
verwendet, der Raum zwischen den Separatoren klein ist, ist es
insbesondere erwünscht, spezielle Maßnahmen zu treffen, um zu
verhindern, dass zwischen benachbarten Separatoren ein elektrischer
Kurzschluss stattfindet, unter Berücksichtigung, dass Fremdstoffe, wie
etwa Staub und Kohlenstoffpartikel, in das Reaktionsgas eingemischt
werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist die Brennstoffzelle der
vorliegenden Erfindung wie folgt aufgebaut.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine
Brennstoffzelle ein Paar von Separatoren auf, die Außenseiten eines Paars
von Elektroden (z. B. Elektroden 9 in der Ausführung) einklemmen, die an
beiden Seiten einer Festpolymer-Elektrolytmembrane [Folie] (z. B. die
Festpolymer-Elektrolytmembrane [Folie] 7 in der Ausführung) vorgesehen
sind, wobei die Brennstoffzelle ferner ein nicht-leitfähiges
bildrahmenförmiges Element (z. B. bildrahmenförmige Elemente 61, 81, 91,
101, 121, 131, 141, 251 und 261 in den Ausführungen) aufweist, das
eine Vergrößerung und Verkleinerung eines Raums zwischen den
Separatoren gestattet, während es den Spalt zwischen den Separatoren
abdichtet, das am Außenrand des Separators vorgesehen ist.
Bei dieser Konstruktion wird, in Bezug auf eine Bewegung, die den Raum
zwischen den Separatoren vergrößert, kein Spalt zwischen dem Separator
und dem bildrahmenförmigen Element erzeugt, und ferner wird, in Bezug
auf eine Bewegung, die den Raum zwischen den Separatoren verengt,
diese Bewegung durch das bildrahmenförmige Element nicht beschränkt.
Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in einer
Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt die bildrahmenförmigen Elemente
(bildrahmenförmige Elemente 101, 111, 121, 131 in den Ausführungen) so
ausgebildet, dass sie relativ zueinander verschiebbar sind.
Bei der obigen Konstruktion kann die Breite des Raums zwischen den
Separatoren durch die relative Gleitbewegung der bildrahmenförmigen
Elemente mechanisch eingestellt werden.
Nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der
Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt der Separator aus einem Metall
hergestellt, und das bildrahmenförmige Element (z. B. bildrahmenförmige
Elemente 61, 81, 91, 261 in den Ausführungen) ist aus einem harten
Material (z. B. Hauptkörperabschnitte 61a, 81a, 91a und 261a in der
Ausführung) und einem elastischen Material (Vergrößerungs- und
Verkleinerungs-absorbierende Abschnitte 61b, 81b, 91b und 261b in der
Ausführung) gebildet.
Da bei der obigen Konstruktion das elastische Material in der Stapelrichtung
der Brennstoffzelle elastisch kontrahierbar ist, ist die Annäherung der
Separatoren zueinander nicht beschränkt.
Die Ausdehnung der Räume zwischen benachbarten Separatoren kann
wegen deren elastischer Kontraktion in der Stapelrichtung durch das
elastische Material aufgenommen werden.
Nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst, in der
Brennstoffzelfe nach dem ersten Aspekt, das bildrahmenförmige Element
eine Separatorpositionierungsvorrichtung (z. B. eine Kombination eines
konkaven Abschnitts 123 und eines konvexen Abschnitts 125, eine
Kombination einer Endfläche 131A und einer Endfläche 131B, und eine
Kombination eines Nutabschnitts mit dreieckigem Querschnitt 143 und
eines Vorsprungsabschnitts 145 mit einem dreieckigen Querschnitt 145 in
den Ausführungen).
Bei der obigen Konstruktion ist es möglich, eine relative Fehlausrichtung
zwischen Separatoren zu verhindern, die auftreten könnte, wenn die
Separatoren gestapelt werden.
Nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind, in der
Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt, die Außenumfänge der
Separatoren mit den bildrahmenförmigen Elementen abgedeckt (z. B.
bildrahmenförmige Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131, 141, 251
und 261 in den Ausführungen).
Bei der obigen Struktur ist es möglich, zu verhindern, dass benachbarte
Separatoren kurzgeschlossen werden.
Nach dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, in der
Brennstoffzelle nach dem fünften Aspekt, ein Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelement (z. B. das Umfangsabdichtelement 52 in der
Ausführung) vorgesehen, um die Reaktionsoberflächen der Separatoren
abzudecken, und der außenseitige Abschnitt des Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelements ist vollständig von einem isolierenden
Außenrandelement abgedeckt (z. B. ein Vergrößerungs- und Verkleinerungs
absorptionsabschnitt 261b in der Ausführung), das um ein in dem
Separator gebildetes Verbindungsloch herum vorgesehen ist.
Da bei der obigen Struktur die freiliegende Metalloberflächen-Außenseite
des Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements der Separatoren durch
das isolierende Außenoberflächenelement vollständig abgedeckt ist, wird
die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren verbessert und kann der
elektrische Kurzschluss zwischen Separatoren wirkungsvoll verhindert
werden.
Nach dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind, in der
Brennstoffzelle nach dem sechsten Aspekt, beide Außenoberflächen des
Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements (z. B. das Umfangsabdicht
element 52 in der Ausführung) vollständig von einem isolierenden
Außenumfangselement (z. B. Vergrößerungs- und Verkleinerungs-
Absorptionselement 261b) abgedeckt, das integral mit dem
Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement ausgeführt ist.
Da bei der obigen Konstruktion die freiliegenden Metalloberflächen am
Außenbereich beider Oberflächen am Umfangsbereich des Reaktionsober
flächen-Umfangsabdichtelements, das außerhalb des Reaktions-Außen
flächen-Abdichtelements freiliegt, vollständig durch das isolierende
Außenoberflächenelement abgedeckt sind, ist es möglich, dass die
Separatoren gegen Korrosion und gegen Kurzschluss zwischen benachbar
ten Separatoren beständiger sind.
Nach dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, in der
Brennstoffzelle nach dem siebten Aspekt, eines der Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelemente benachbarter Separatoren flach geformt, und das
andere Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement, das zu dem flachen
Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement weist, ist so ausgebildet,
dass es vorsteht.
Da bei der obigen Konstruktion die Außenflächen der Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelemente in Kombination flacher und vorstehender Bereiche
ausgeformt sind, kann die relative Fehlausrichtung der flachen Oberfläche
an einem Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement durch die
vorstehende Oberfläche des anderen Reaktionsoberflächen-Umfangsab
dichtelements absorbiert werden.
Nach dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung gestatten, in dem
Brennstoffzellenstapel nach dem achten Aspekt, der durch eine Mehrzahl
gestapelter [gestapelter] Brennstoffzelleneinheiten aufgebaut ist, die
bildrahmenförmigen Elemente eine Ausdehnung oder Kontraktion der
Räume zwischen den Separatoren, während der Raum zwischen den
jeweiligen Separatoren abgedichtet wird.
Bei der obigen Konstruktion ist es, nicht nur für eine einzelne
Brennstoffzelle, sondern auch für eine Mehrzahl benachbarter
Brennstoffzellen, möglich, das Entstehen eines Raums zwischen einem
Separator und dem bildrahmenförmigen Element zu unterbinden, und die
Kontraktion des Raums zwischen den Separatoren wird durch das
bildrahmenförmige Element nicht unterbunden.
Nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in der
Festpolymerelektrolytmembran [Folien]-Brennstoffzelle, die ein Paar von
Elektroden aufweist, die an beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolyt
membrane [Folie] ausgebildet sind, sowie ein Paar von Metallfolien
separatoren, die beide Oberflächen der Membran-Brennstoffzelle abdecken,
Isolierelemente (z. B. Isolierelemente 201, 211, 221, 231, 241 und 271 in
der Ausführung) um Verbindungslöcher herum (z. B. ein einlassseitiges
Oxidationsmittelverbindungsloch 41a, ein auslassseitiges Oxidationsmittel
gasverbindungsloch 41b, ein einlassseitiges Brenngasverbindungsloch 4%,
ein einlassseitiges Brenngasverbindungsloch 42b, ein einlassseitiges
Kühlmittelverbindungsloch 43a und ein auslassseitiges Verbindungsloch
43b in der Ausführung), die in den Separatoren ausgebildet sind,
vorgesehen.
Bei der obigen Konstruktion ist es möglich, eine Flüssigkeitsverbindung
durch das Kühlmittel zu verhindern und um einen Kurzschluss zwischen
benachbarten Separatoren in dem Reaktionsgaskanal zu verhindern.
Nach dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind, in der
Brennstoffzelle nach dem zehnten Aspekt, jeweilige Räume (z. B. der Raum
203 in der Ausführung) zwischen jeweils zwei Isolierelementen
benachbarter Separatoren (z. B. Isolierelement 201 in der Ausführung) in
der Stapelrichtung der Separatoren vorgesehen.
Bei der obigen Konstruktion kann das Vergrößern und Verkleinern der
Separatorräume durch den Spalt in der Stapelrichtung der Separatoren
absorbiert werden.
Nach dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist in der
Brennstoffzelle nach dem zehnten Aspekt, jedes Isolierelement (z. B. das
Isolierelement 201 in der Ausführung) jeweils benachbarter Separatoren
derart ausgeformt, dass benachbarte Separatoren relativ verschiebbar sind,
um eine Vergrößerung und Verkleinerung des Raums zwischen den
Separatoren zu gestatten, während die Isolierelemente die Räume zwischen
den Separatoren abdichten.
Bei der obigen Konstruktion kann eine Vergrößerung und Verkleinerung der
Separatorräume durch relative Verschiebung der jeweiligen Isolierelemente
mechanisch absorbiert werden.
Nach dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind, in der
Brennstoffzelle nach dem zehnten Aspekt, die Isolierelemente (z. B. das
Isolierelement 231 und 241 in den Ausführungen) aus elastischem Material
hergestellt.
Bei der obigen Konstruktion wird die Kontraktion der Separatorräume nicht
reguliert, weil das weiche Material in der Lage ist, sich in der
Stapelrichtung der Brennstoffzellen elastisch zu kontrahieren, und der
Ausdehnung des Separatorraums kann durch die federnde Entspannung des
elastischen Materials aufgrund der elastischen Längung des elastischen
Materials gefolgt werden.
Nach dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in der
Brennstoffzelle nach dem zehnten Aspekt die Innenumfangsflächen der
Verbindungslöcher durch das Isolierelement abgedeckt (z. B. die
Isolierelemente 201, 211, 221, 231, 241 und 271 in den Ausführungen).
Bei der obigen Konstruktion ist es möglich, einen Kurzschluss zwischen den
Innenumfangsendflächen der Verbindungslöcher in benachbarten
Separatoren zu verhindern.
Nach dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, in der
Brennstoffzelle nach dem zehnten Aspekt, eines der Isolierelemente von
einem der benachbarten Separatoren (z. B. ein flacher Abschnitt 271b des
Isolierelements in den Ausführungen) flach geformt, und das Isolierelement
(z. B. ein Vorsprungsabschnitt 271a des Isolierelements in den
Ausführungen) eines der Isolierelemente eines anderen Separators, der zu
dem erstgenannten flachen Isolierelement weist, so ausgebildet, dass es
vorsteht.
Bei der obigen Konstruktion macht es das Vorsehen einer Kombination der
Isolierelemente eines Separators in flache und vorstehende Bereiche
möglich, die relative Fehlausrichtung des vorstehenden Isolierelements in
Bezug auf das flache Isolierelement zu absorbieren.
Nach dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, in der
Brennstoffzelle nach dem fünfzehnten Aspekt, die mit einem
Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement versehen ist (z. B. das
Umfangsabdichtmaterial 52), eines der Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelemente benachbarter Separatoren (z. B. der flache
Abschnitt des Umfangsabdichtmaterials 52b in den Ausführungen) flach
ausgeformt, und das andere der Reaktionsoberflächen-Umfangsabdicht
elemente der gegenüberliegenden benachbarten Separatoren ist so
ausgeformt, dass es vorsteht.
Da bei der obigen Konstruktion die Reaktionsoberflächen-Umfangsabdicht
elemente in einer Kombination flacher und vorstehender Bereiche
ausgebildet sind, kann die relative Fehlausrichtung des vorstehenden
Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements entsprechend dem flachen
äußeren Reaktionsoberflächenelement absorbiert werden.
Nach dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, in der
Brennstoffzelle nach dem sechzehnten Aspekt, der außenseitige Abschnitt
der Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelemente (das Außenumfangs
abdichtmaterial 52 in den Ausführungen) von dem Isolierelement (z. B. dem
Isolierelement 271 in der Ausführung) vollständig abgedeckt.
Da bei der obigen Konstruktion der freiliegende Metallabschnitt der
Separatoren an dem außenseitigen Abschnitt des Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelements durch die Isolatoren vollständig abgedeckt ist, ist
es möglich, die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren zu verbessern,
und ist es möglich, einen elektrischen Kurzschluss benachbarter
Separatoren zu verhindern.
Nach dem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind, in der
Brennstoffzelle nach dem siebzehnten Aspekt, das Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelement (z. B. das Umfangsabdichtelement 52 in den
Ausführungen) und das Isolierelement (z. B. das Isolierelement 271 in der
Ausführung) integral aufgebaut.
Bei der obigen Konstruktion ist es möglich, das Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelement und das Isolierelement integral damit auszubilden.
Nach dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind, in der
Brennstoffzelle nach dem sechzehnten Aspekt, beide außenseitigen
Oberflächen des Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements (z. B. das
Außenoberflächenabdichtelement 52 in den Ausführungen) durch das
isolierende Außenumfangselement (z. B. das Isolierelement 271 in den
Ausführungen), das integral mit dem Reaktionsoberflächen-Umfangsab
dichtelement aufgebaut ist, abgedeckt.
Da bei der obigen Konstruktion beide Oberflächen der freiliegenden
Metalloberflächen des außenseitigen Abschnitts des Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelements mit den Isolierelementen abgedeckt sind, wird die
Korrosionsbeständigkeit der Separatoren verbessert und kann ein
elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren vermieden
werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine Draufsicht, die einen Separator einer Festpolymer-
Elektrolytmembran [Folien]-Brennstoffzelle nach einer ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist ein Querschnitt, erhalten durch Schneiden eines Brennstoff
zellenstapels, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Festpolymerelektrolyt
membran [Folien]-Brennstoffzellen gebildet ist, die die Separatoren in Fig.
1 aufweisen, an einer Position, die einer Linie A-A in Fig. 1 entspricht.
Fig. 3A ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikations
beispiels der ersten Ausführung zeigt, und Fig. 3B ist ein Querschnitt
entlang Linie B-B in Fig. 3A.
Fig. 4 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen Modifikations
beispiels in der ersten Ausführung zeigt.
Fig. 5 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer zweiten Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels
der zweiten Ausführung zeigt.
Fig. 7 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen
Modifikationsbeispiels in der zweiten Ausführung zeigt.
Fig. 8 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer dritten Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 9 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels
der dritten Ausführung zeigt.
Fig. 10 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen
Modifikationsbeispiels der dritten Ausführung zeigt.
Fig. 11 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer vierten Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 12 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels
der vierten Ausführung zeigt.
Fig. 13 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen
Modifikationsbeispiels in der vierten Ausführung zeigt.
Fig. 14 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer fünften Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 15 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels
der fünften Ausführung zeigt.
Fig. 16 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer sechsten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 17 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels
der sechsten Ausführung zeigt.
Fig. 18A ist ein Diagramm, das Hauptteile des anderen Modifikations
beispiels der ersten Ausführung zeigt, und 18B zeigt ein vergrößertes
Diagramm des Vorsprungsabschnitts 52a des Umfangsabdichtmaterials.
Fig. 19A ist ein Diagramm, das den Hauptabschnitt der fünften
Ausführung zeigt, und 19B ist ein vergrößertes Diagramm des
Vorsprungsabschnitts des Umfangsabdichtmaterials.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung in Bezug
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Draufsicht, die einen Separator 3 zeigt, der eine
Festpolymerelektrolytmembran [Folien]-Brennstoffzelle 1 nach einer ersten
Ausführung darstellt.
Die Brennstoffzelle 1 ist aufgebaut durch abwechselndes Aufstapeln der
Separatoren 3 und einer Membranelektrodenanordnung 5, die durch
Aufnehmen [Einklemmen] einer Festpolymerelektrolytmembrane [Folie] 7
durch ein Paar von Elektroden 9 gebildet ist, wie in Fig. 2 gezeigt, und ein
Brennstoffzellenstapel wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheits-
Brennstoffzellen 1 gebildet.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst der Separator 3 einen Wellblechabschnitt
33, in dem eine Mehrzahl konkaver Abschnitte 31, die eine bestimmte
Höhe haben, mit einem bestimmten Abstand voneinander durch
Pressformung eines rostfreien Stahlblechmaterials, das eine Plattendicke
von 0,2 bis 0,5 mm hat, gebildet sind, sowie ein ebener Abschnitt 35, um
außerhalb jedes Wellblechabschnitts 33 angeordnete Randabschnitte durch
ein Abdichtmaterial gegenseitig zu kontaktieren.
Dieser Separator 3 ist versehen mit einem einlassseitigen
Oxidationsgasverbindungsloch 41a für den Durchtritt von Oxidationsgas
sowie einem einlassseitigen Brenngasverbindungsloch 42a für den
Durchtritt von Brenngas, und zwar an der Oberseite an entgegengesetzten
Enden in der horizontalen Richtung, die in dieser Ebene an dem
Außenumfangsabschnitt angeordnet sind. Der Separator 3 ist ferner an der
Mitte entgegengesetzter Enden in der horizontalen Richtung mit einem
einlassseitigen Kühlmittelverbindungsloch 43a für den Durchtritt eines
Kühlmediums sowie einem auslassseitigen Kühlmittelverbindungsloch 43b
für den Durchtritt des verbrauchten Kühlmittels versehen.
Ferner sind in dem Separator 3 vorgesehen ein auslassseitiges
Oxidationsgasverbindungsloch 41b für den Durchtritt des Oxidationsgases
und ein auslassseitiges Brenngasverbindungsloch 42b für den Durchtritt
des Brenngases, und zwar an der Unterseite an entgegengesetzten Enden
in der horizontalen Richtung, die an dem Außenumfangsabschnitt in dieser
Ebene angeordnet sind, sodass diese an diagonal entgegengesetzten
Positionen in Bezug auf das einlassseitige Oxidationsgasverbindungsloch
41a bzw. das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a angeordnet sind.
An einer in Fig. 1 gezeigten Kathodenseite in dem Separator 3 fließt das
Oxidationsgas von dem einlassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41a
hinein und fließt dann in jeden konkaven Abschnitt 31 in dem
Wellblechabschnitt 33 hinein, sodass es von einer kurzen Randseite des
Separators zu der anderen kurzen Randseite davon geleitet wird, und fließt
von dem auslassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41b aus.
Ähnlich fließt in dem Separator 3 an der Anodenseite (die Draufsicht ist
nicht gezeigt) das Brenngas von dem einlassseitigen Brenngasver
bindungsloch 42a hinein und fließt dann in jeden konkaven Abschnitt 31 in
dem Wellblechabschnitt 33 hinein, sodass es von einer kurzen Randseite
des Separators zur anderen kurzen Randseite davon geleitet wird, und fließt
aus dem auslassseitigen Brenngasverbindungsloch 46b aus.
Das oben beschriebene einlassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41a,
das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a, das einlassseitige
Kühlmittelverbindungsloch 42a, das auslassseitige Oxidationsgas
verbindungsloch 41b, das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b und
das auslassseitige Kühlmittelverbindungsloch 43b entsprechen jeweils den
Verbindungslöchern nach der vorliegenden Erfindung.
An der Vorderseite und der Rückseite des Separators 3 sind angeordnet ein
erstes Abdichtmaterial, das die Außenseite des Wellblechabschnitts 33,
das einlassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41a, das auslassseitige
Oxidationsgasverbindungsloch 41b, das einlassseitige Brenngas
verbindungsloch 42a und das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b
umgibt, sowie ein zweites Abdichtmaterial 53, das die Außenseite des
einlassseitigen Kühlmittelverbindungslochs 43a und des auslassseitigen
Kühlmittelverbindungslochs 43b umgibt.
Hier ist der gewellte Abschnitt 33 ein Abschnitt, der der Reaktionsober
fläche des Separators entspricht, und unter den Abdichtmaterialien
entspricht das Außenumfangsabdichtmaterial 52, das den dem
Außenumfang des Wellabschnitts 33 entsprechenden Abschnitt umgibt,
dem Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement.
Anzumerken ist, dass das Abdichtmaterial an Abschnitten, die dem
einlassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41a und dem auslassseitigen
Oxidationsgasverbindungsloch 41b benachbart sind, für den Einfluss oder
Ausfluss des Oxidationsgases entfernt ist. Ähnlich ist auch in der
Anodenseite des Separators (in der Draufsicht nicht gezeigt) das
Abdichtmaterial an Abschnitten, die dem einlassseitigen Brenngas
verbindungsloch 42a und dem auslassseitigen Brenngasverbindungsloch
42b benachbart sind, entfernt.
Ferner ist ein nicht-leitendes bildrahmenförmiges Element 61, das den
Außenumfang und die Außenendfläche des gesamten Umfangs abdeckt,
am Außenrandabschnitt des Separators 3 angeordnet.
Dieses bildrahmenförmige Element 61 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, aufgebaut
aus einem Körperabschnitt 61a mit rechteckigem Querschnitt, der ein
hartes Harzmaterial, wie etwa Polyamid oder PTFE, aufweist, sowie einem
Vergrößerungs- und Verkleinerungs-Absorptionsabschnitte 61b
(nachfolgend als flexibler Absorptionsabschnitt bezeichnet) mit einem
trapezförmigen Abschnitt, der ein weicheres Material als der
Körperabschnitt 61a aufweist und elastisch ist, z. B. ein Schaummaterial,
wie etwa Gummi.
Eine Grenzebene 61A zwischen dem Körperabschnitt 61a und dem
flexiblen Absorptionsabschnitt 61b sowie eine obere Endfläche 61bA des
flexiblen Absorptionsabschnitts 61b sind an einer tieferen Position
angeordnet als die oberen Endflächen 51A und 53A der ersten und zweiten
Abdichtmaterialien 51 und 53, und die Erhebungsdifferenz zwischen der
oberen Endfläche 61bA und den oberen Endflächen 51A und 53A ist
kleiner festgelegt als eine Kompressionsgrenze der ersten und zweiten
Abdichtmaterialien 51 und 53.
Die Kompressionsgrenze bedeutet eine Quetschgrenze beim Quetschen der
ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 beim Stapeln der
Separatoren, sodass ein vorbestimmter Dichtflächendruck auf den
Separator 3 einwirkt.
Wenn ein konkaver Abschnitt 31 in einem Separator 3, der eine
Brennstoffzelle 1 darstellt, und ein anderer konkaver Abschnitt 31 in einem
Separator 3, der eine andere Brennstoffzelle 1 darstellt, sequenziell
zusammengesetzt werden, wird ein in der Figur gezeigter Raum mit
trapezförmigem Querschnitt, der zwischen dem konkaven Abschnitt 31 des
Separators 3 und der Elektrode 9 ausgebildet ist, zu einem
Oxidationsgaskanal 71 zum Zirkulieren des Oxidationsgases sowie einem
Brenngaskanal 73 zum Zirkulieren des Brenngases. Der in der Figur
gezeigte Raum mit sechseckigem Querschnitt, der von den Separatoren 3
umgeben ist, wird zu einem Kühlmittelkanal 75 zum Zirkulieren des
Kühlmittels.
Beim Stapeln der Separatoren werden die ersten und zweiten
Abdichtmaterialien 51 und 53 durch die Kompressionsgrenze gequetscht,
um den Umfang jedes der Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und
43b mit einem vorbestimmten Dichtflächendruck, der auf den Separator 3
wirkt, zuverlässig abzudichten.
Hierbei wird auch der flexible Absorptionsabschnitt 61b des
bilderrahmenförmigen Elements 61, der am Außenrandabschnitt jedes
Separators 3 angeordnet ist, durch den Separator 3 unter Druck gesetzt
und um eine vorbestimmte Dimension komprimiert, insbesondere um eine
Differenz, die erhalten ist durch Subtrahieren der Höhendifferenz zwischen
der oberen Endfläche 61bA und den oberen Endflächen 51A und 53A von
der Kompressionsgrenze der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und
53.
Auch wenn sich daher der Raum zwischen den Separatoren durch den
Einfluss von Wärme oder dgl. ausdehnt, wird der flexible
Absorptionsabschnitt 61b des bildrahmenförmigen Elements 61 elastisch
entspannt und dehnt sich in der Stapelrichtung der Separatoren aus und
folgt dem Körperabschnitt 61a der anderen bildrahmenförmigen Elemente
61, die in der Lage sind, sich von dem flexiblen Absorptionsabschnitt 61b
zu trennen.
Auch wenn daher der Raum zwischen den Separatoren größer wird,
werden die miteinander in Kontakt stehenden bildrahmenförmigen Elemente
61 nicht getrennt. Im Ergebnis kann wirkungsvoll verhindert werden, dass
Fremdstoffe von außen her eintreten können, und wird auch die Haltbarkeit
der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 verbessert.
Da der flexible Absorptionsabschnitt 61b in der Stapelrichtung der
Separatoren elastisch kontrahierbar ist, wird die relative Annäherung der
Separatoren 3 nicht eingeschränkt, solange diese innerhalb eines elastisch
kontrahierbaren Bereichs stattfindet.
Auch wenn daher die ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53
oder die Membranelektrodenanordnung 5 im Lauf der Zeit altert und die
Höhe niedrig wird, kann sich der flexible Absorptionsabschnitt 61b in der
Stapelrichtung der Separatoren kontrahieren, um den Raum zwischen
Separatoren zu verkleinern. Im Ergebnis kann der enge Kontaktzustand
dieser Abdichtmaterialien 51 und 53 und der Membranelektrodenanordnung
3 [5] mit dem Separator 3 eingehalten werden, was eine Abnahme der
Stromerzeugungsleistung und eine Situation, dass keine Stromerzeugung
möglich ist, verhindert.
Da das bildrahmenförmige Element 61 aus einem Isoliermaterial gebildet ist,
ist die Wirkung so, dass ein Kurzschluss nicht auftritt, auch wenn die
Oberfläche des Brennstoffzellenstapels durch Wasser oder Kondensation
nass wird, und die Wirkung, dass ein Kurzschluss durch Kontakt
benachbarter Separatoren nicht stattfindet. Da ferner die
Außenumfangsflächen des Separators 3 durch das Isoliermaterial
abgedeckt sind, ist es auch möglich, zu verhindern, dass benachbarte
Separatoren kurzgeschlossen werden.
Ferner hat das bildrahmenförmige Element 61, das um den Gesamtumfang
des Außenrandabschnitts des Separators 3 herum angeordnet ist,
insbesondere der aus hartem Harzmaterial bestehende Körperabschnitt 61a,
die Funktion einer Verstärkungsrippe. Daher kann eine Verformung des
dünnen Metallseparators 3 wirkungsvoll verhindert werden.
Falls ein dicker Separator, der die Verstärkungsfunktion nicht benötigt,
anstelle dieses dünnen Metallseparators 3 verwendet wird, kann das
gesamte bildrahmenförmige Element 61 aus elastischem Material aufgebaut
sein.
Fig. 3A ist ein Querschnitt, der ein Modifikationsbeispiel der ersten
Ausführung zeigt, und Fig. 3B ist ein Querschnitt entlang Linie B-B in
Fig. 3A.
In der Beschreibung für dieses Modifikationsbeispiel sind die gleichen
Bauteile wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in
Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
Ein bildrahmenförmiges Element 81 in diesem Modifikationsbeispiel ist
derart aufgebaut, dass ein flexibler Absorptionsabschnitt 81b einen
Körperabschnitt 81a abdeckt, und ein Ablaufloch 83 ist in zumindest einem
der flexiblen Absorptionsabschnitte 81b1 ausgebildet, die sich parallel zu
dem Separator 3 erstrecken.
Der Körperabschnitt 81a und der flexible Absorptionsabschnitt 81b sind
z. B. aus dem gleichen Material wie der Körperabschnitt 61a und der flexible
Absorptionsabschnitt 61b in Fig. 1 aufgebaut.
Das Ablaufloch 83 dient zum Abführen von überschüssigem Gas oder
zwischen den Separatoren 3 entstandenem Taukondenswasser und ist in
einer angenäherten Z-Form gekrümmt ausgeformt, wie in Fig. 3B gezeigt,
um zu verhindern, dass Fremdstoffe von außen her eindringen, indem die
Position der Öffnungen 83a und 83b in Richtung der Separatorbreite (in der
vertikalen Richtung in Fig. 3B) verschoben ist.
Da auch bei diesem Modifikationsbeispiel das bildrahmenförmige Element
81 den flexiblen Absorptionsabschnitt 81b aufweist, kann verhindert
werden, dass Fremdstoffe von außen her eindringen, während sich der
Raum zwischen den Separatoren erweitert, und kann ein Schlechterwerden
der Dichteigenschaften durch Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der
Zeit verhindert werden, wie in der ersten Ausführung.
Das bildrahmenförmige Element 81 kann mit einem zweiten Abdichtmaterial
53 verbunden sein, wie etwa jenem, das an dem Separator 3 angeordnet
ist, der sich in der untersten Stufe in Fig. 3A befindet.
Fig. 18A ist ein Diagramm, das das andere Modifikationsbeispiel der
ersten Ausführung zeigt, und 18B zeigt ein vergrößertes Diagramm des
Vorsprungsabschnitts 52a des Außenumfangs-Abdichtmaterials.
In der Erläuterung dieses Modifikationsbeispiels der ersten Ausführung sind
die gleichen Bestandteile wie jene von Fig. 2 mit den Bezugssymbolen
bezeichnet und ihre Erläuterungen sind weggelassen.
In dem bildrahmenförmigen Element 261 nach diesem Modifikationsbeispiel
bedeckt der flexible Absorptionsabschnitt 261b (das isolierende
Außenumfangselement) den Hauptkörperabschnitt 261a, und beide
Oberflächen des außenseitigen Abschnitts des Außenumfangsabdicht
materials 52 des Separators 3, d. h. die Vorder- und Rückflächen des
außenseitigen Abschnitts, sind mit dem flexiblen Absorptionsabschnitt
261b abgedeckt. Da die Außenumfangsendfläche des Separators 3 und die
Innenrandfläche der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b
und 43b durch das bildrahmenförmige Element 261 und den flexiblen
Absorptionsabschnitt 261b abgedeckt sind, sind die Innenendfläche der
jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b durch den
flexiblen Absorptionsabschnitt 261b abgedeckt.
Dieser Hauptkörperabschnitt 261a und der flexible Absorptionsabschnitt
61b sind aus dem gleichen Material wie dem des Hauptkörperabschnitts
61a und des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b, die in Fig. 2 gezeigt
sind, aufgebaut.
Zusätzlich ist der flexible Absorptionsabschnitt 261b integral mit dem
ersten Abdichtmaterial aufgebaut, das das Umfangsabdichtmaterial 52
enthält, und ist auch integral mit dem zweiten Abdichtmaterial 53
aufgebaut.
Der flache Umfangsabdichtmaterialabschnitt 52b eines benachbarter
Separatoren 3 ist flach ausgeformt, und das Umfangsabdichtmaterial 52a
ist vorstehend ausgeformt. Ferner ist der obere Abschnitt des vorstehenden
Umfangsabdichtmaterials im Querschnitt R-förmig konfiguriert.
Bei der Konstruktion dieses Modifikationsbeispiels ist der flexible
Absorptionsabschnitt 261b in der Lage, sich in der Stapelrichtung der
Separatoren elastisch zu kontrahieren, wodurch es, wie in der ersten
Ausführung beschrieben, möglich ist, eine Kontamination zu verhindern,
wenn sich der Separatorraum ausdehnt, und auch zu verhindern, dass die
Dichteigenschaften des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter
werden.
Da die Außenendfläche des Separators 3 und die Innenendflächen der
jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b durch das
bildrahmenförmige Element abgedeckt sind, ist es möglich, einen
elektrischen Kurzschluss an der Außenendfläche des Separators 3 und den
Innenendflächen der Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b
zu verhindern.
Da zusätzlich die freiliegende Metalloberfläche des Separators 3 an dem
außenseitigen Abschnitt des Umfangsabdichtmaterials 52 von dem
flexiblen Absorptionsabschnitt 61b vollständig abgedeckt ist, ist es möglich
zu verhindern, dass benachbarte Separataren elektrisch kurzgeschlossen
werden, während die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird.
Da ferner der flexible Absorptionsabschnitt 261b integral mit dem ersten
Abdichtmaterial 51 sowie auch dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut
ist, ist es möglich, diese Materialien gleichzeitig zu formen, was zu einer
Reduktion der Herstellungskosten dieser Komponenten führt.
Da zusätzlich die Umfangsabdichtmaterialien 52 in einer Kombination einer
flachen Form und einer vorstehenden Form ausgebildet sind, kann eine
Fehlausrichtung des Vorsprungsabschnitts 52a des Umfangsabdicht
materials 52a in Bezug auf den flachen Abschnitt 52b des Umfangsabdicht
materials 52a absorbiert werden, was einen Ausrichtvorgang der
Dichtabschnitte unnötig macht und was eine Zunahme der Produktivität
ergibt.
Beim Stapeln der Separatoren wird der R-förmige Querschnitt des
Oberabschnitts des Vorsprungsabschnitts des Umfangsabdichtmaterials
eines Separators auf den flachen Abschnitt des Abdichtmaterials des
anderen Separators gepresst, und die Abdichtung wird verbessert.
Fig. 4 ist ein Querschnitt, der ein anderes Modifikationsbeispiel der ersten
Ausführung zeigt.
In der Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die gleichen Bauteile
wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in Fig. 2
bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
Das bildrahmenförmige Element 91 nach diesem Modifikationsbeispiel ist
derart aufgebaut, dass eine Abdeckgrenze L1 eines Körperabschnitts 91a,
der die Seite der Reaktionsebene 3a des Separators 3 abdeckt, im
Wesentlichen auf die Hälfte einer Abdeckgrenze L2 gesetzt ist, die die Seite
der Kühlebene 3b abdeckt, und der flexible Absorptionsabschnitt 91b ist
mit nur dem innenseitigen Randabschnitt an der Kühlebenenseite des
Körperabschnitts 91a integriert.
Der Körperabschnitt 91a und der flexible Absorptionsabschnitt 91b sind
z. B. aus dem gleichen Material wie das des Körperabschnitts 61a und des
flexiblen Absorptionsabschnitts 61b in Fig. 1 aufgebaut.
Da auch bei diesem Modifikationsbeispiel das bildrahmenförmige Element
91 den flexiblen Absorptionsabschnitt 91b aufweist, kann verhindert
werden, dass Fremdstoffe von außerhalb eindringen, während sich der
Raum zwischen den Separatoren erweitert, und kann ein Schlechterwerden
der Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der
Zeit verhindert werden, wie in der ersten Ausführung.
Ferner hat der flexible Absorptionsabschnitt 91b des bildrahmenförmigen
Elements 91 nach dieser Ausführung eine höhere Vorsprungshöhe von dem
Separator 3 als die des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b in der ersten
Ausführung. Im Ergebnis kann eine noch stärkere Vergrößerung und
Verkleinerung der Grenze aufgenommen werden, und daher hat dies
ausgezeichnete Folgeeigenschaften, während sich der Raum zwischen den
Separatoren erweitert.
Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer zweiten Ausführung der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 5 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
Die gleichen Bestandteile wie jene von Fig. 1 sind mit den gleichen
Bezugssymbolen wie in Fig. 1 bezeichnet, und ihre Beschreibung ist
weggelassen.
Ein bildrahmenförmiges Element 101 nach dieser Ausführung hat eine
Grundkonstruktion, die sich von jener der ersten Ausführung und von deren
Modifikationsbeispielen unterscheidet, die elastische Verformung nutzen,
um eine Vergrößerung und Verkleinerung zu absorbieren, darin, dass die
Vergrößerung und Verkleinerung in der Stapelrichtung der Separatoren
mechanisch absorbiert wird.
Dieses bildrahmenförmige Element 101 hat eine im Schnitt konvexe Form
mit einem Vorsprungsabschnitt 101a, der von einem Basisabschnitt 101b
vorsteht, und der Vorsprungsabschnitt 101a ist so angeordnet, dass er
abwechselnd entlang der Stapelrichtung der Separatoren zur Innenseite des
Brennstoffzellenstapels (der rechten Seite in Fig. 5) und der Außenseite
davon (der linken Seite in Fig. 5) weist.
Die zwei benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 sind in einer mit
dem Separator 3 parallelen Ebene 101 B normalerweise nicht in Kontakt
miteinander, sondern sind in einer Ebene 101 A, die parallel zur
Stapelrichtung der Separatoren ist, miteinander in Kontakt gebracht.
D. h. ein Raum zwischen den Separatoren wird durch die Vorsprungshöhe
der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 (in Fig. 5 ist nur das
zweite Abdichtmaterial 53 gezeigt) von dem Separatur 3 erzeugt. Diese
Vorsprungshöhe ist größer festgelegt als die Summe der Vorsprungshöhe
des Vorsprungsabschnitts 101a und der Vorsprungshöhe des
Basisabschnitts 101b von dem Separator 3.
Im Ergebnis wird ein Spalt 103 zwischen dem Basisabschnitt 101b eines
der zwei benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 und dem
Vorsprungsabschnitt 101a des anderen bildrahmenförmigen Elements 101
gebildet.
Bei dieser Konstruktion wird die Ausdehn- oder Kontraktionsbewegung des
Raums zwischen den Separatoren nur durch Vergrößerung oder
Verschmälerung des Spalts 103 zwischen den bildrahmenförmigen
Elementen 101 absorbiert, während die Ebene 101A von einem der zwei
benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 relativ zur Ebene 101A
des anderen bildrahmenförmigen Elements 101 verschoben wird, ohne sich
voneinander zu trennen.
Daher kann, wie in der ersten Ausführung, verhindert werden, dass
Fremdstoffe von außerhalb eindringen, wenn sich der Raum zwischen den
Separatoren vergrößert, und kann eine Verschlechterung der
Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit
verhindert werden.
Wenn man in dieser Ausführung die zwei benachbarten bildrahmenförmigen
Elemente 101 betrachtet, tritt keinerlei Last entlang der Stapelrichtung der
Separatoren zwischen diesen zwei bildrahmenförmigen Elementen auf, da
die zu dem Separator 3 parallelen Ebenen 101b nicht miteinander in
Kontakt kommen.
Daher wird die Kompressionslast, die auf die ersten und zweiten
Abdichtmaterialien 51 und 53 einwirken, nicht in das bildrahmenförmige
Element 101 verteilt, um hierdurch einen wirkungsvollen Schutz vor einer
Minderung des Dichtflächendrucks zu ermöglichen.
Fig. 6 ist ein Querschnitt, der ein Modifikationsbeispiel der zweiten
Ausführung zeigt.
In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind gleiche
Bauteile wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in
Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
Bei einem bildrahmenförmigen Element 111 dieses Modifikationsbeispiels
verschieben sich, wie in der Konstruktion in Fig. 5, eine Oberfläche 111
eines der benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 111 relativ zu einer
Oberfläche 111a eines anderen der bildrahmenförmigen Elemente 111,
ohne sich voneinander zu trennen, um hierdurch einen Spalt 113 zwischen
den bildrahmenförmigen Elementen 111 weiter zu machen oder zu
verengen. Im Ergebnis kann, wie in der zweiten Ausführung, verhindert
werden, dass Fremdstoffe während der Vergrößerung des Raums zwischen
den Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaft mit der Alterung des
Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter wird und dass der
Dichtflächendruck sinkt.
Von dem Gesichtspunkt her, dass die bildrahmenförmigen Elemente 111
mit dem gleichen Querschnitt an dem Außenrandabschnitt jedes Separators
3 in der gleichen Form angeordnet sind, unterscheidet sich in dieser
Ausführung die Konstruktion von jener der zweiten Ausführung, in der die
bildrahmenförmigen Elemente 101 mit dem gleichen Querschnitt an dem
Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in einer unterschiedlichen Form
angeordnet sind, d. h. wobei die Vorsprungsrichtung der
Vorsprungsabschnitte 101a in der Stapelrichtung der Separatoren
abwechselnd geändert wird.
Falls somit das bildrahmenförmige Element 111 integral an dem
Außenrandabschnitt des Separators 3 durch Spritzguss geformt ist, ist
daher ein Gießen mit nur einem einzigen Formtyp möglich, um hierdurch
eine Reduktion der Produktionskosten zu ermöglichen.
Fig. 7 ist ein Querschnitt, der ein anderes Modifikationsbeispiel der
zweiten Ausführung zeigt.
In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die
gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen
wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
In einem bildrahmenförmigen Element 121 nach diesem
Modifikationsbeispiel ist ein konkaver Abschnitt 123 in der Endfläche
seitens der Kühlebene 3B des Separators 3 ausgebildet, und ein konvexer
Abschnitt 125 mit einer Form, die in den konkaven Abschnitt 123
einsetzbar ist, ist vorstehend an der Endfläche seitens der Reaktionsebene
3A des Separators 3 ausgebildet.
Bei dieser Konstruktion kann eine Vergrößerung und Verkleinerung durch
Erweiterung oder Verengung des Spalts zwischen den bildrahmenförmigen
Elementen 121 absorbiert werden, während die Innenfläche 123A des
konkaven Abschnitts und die Außenfläche 125B des konvexen Abschnitts
relativ zueinander parallel zur Stapelrichtung der Separatoren gleiten, ohne
sich voneinander zu trennen. Da ferner die bildrahmenförmigen Elemente
121, die den gleichen Querschnitt haben, an dem Außenrandabschnitt
jedes Separators 3 in der gleichen Form angeordnet sind, kann verhindert
werden, dass die Dichteigenschaft mit der Alterung des Abdichtmaterials
im Lauf der Zeit schlechter wird und dass der Dichtflächendruck abnimmt,
und es kann eine Minderung der Produktionskosten realisiert werden, wie
bei dem Modifikationsbeispiel von Fig. 6.
Wenn ferner, bei dem bildrahmenförmigen Element 121 dieses
Modifikationsbeispiels, der konvexe Abschnitt 125 des bildrahmenförmigen
Elements 121, der in einem der benachbarten Separatoren 3 angeordnet
ist, in den konkaven Abschnitt 123 des bildrahmenförmigen Elements 121
eingesetzt wird, der in dem anderen Separator 3 angeordnet ist, kann die
relative Position der Separatoren 3 automatisch justiert werden, um
hierdurch eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit beim Zusammenbau und
der Wartung zu ermöglichen.
D. h. in diesem Modifikationsbeispiel ist eine Separatorpositionierungs
vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung durch den konkaven Abschnitt
123 und den konvexen Abschnitt 125 aufgebaut.
Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer dritten Ausführung der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die die Hauptteile der Brennstoffzelle
zeigt.
Die gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 sind mit den gleichen
Bezugssymbolen wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist
weggelassen.
Ein bildrahmenförmiges Element 131 nach dieser Ausführung hat eine
schüsselartige Schrägfläche mit einer Endfläche 131A an seitens der
Kühlebene 3B des Separators 3 und einer Endfläche 131B an seitens der
Reaktionsebene 3A des Separators 3, die in Bezug auf die Kühlebene 3B
und die Reaktionsebene 3A geneigt ist, wobei die Innenseite nach unten
weist (in dem Querschnitt, der den Hauptteil in Fig. 8 zeigt, die rechte
Seite nach unten).
In dieser Ausführung ist die Separatorpositionierungsvorrichtung durch
diese Endflächen 131A und 131B aufgebaut.
Bei dieser Konstruktion kann eine Vergrößerung und Verkleinerung des
Raums zwischen den Separatoren durch die relative Gleitbewegung der
Endfläche 131A eines der benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 131
und der Endfläche 131B des anderen bildrahmenförmigen Elements 131
absorbiert werden, ohne sich voneinander zu trennen. Da ferner die
bildrahmenförmigen Elemente 131 mit dem gleichen Querschnitt und mit
der gleichen Form um den Außenumfang des Separators 3 herum
angeordnet sind, wird die Relativposition der Separatoren 3 automatisch
justiert. Da die bildrahmenförmigen Elemente 131 mit dem gleichen
Querschnitt an dem Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in der gleichen
Form angeordnet sind, kann verhindert werden, dass Fremdstoffe während
der Vergrößerung des Raums zwischen die Separatoren eindringen, dass
die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der
Zeit schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt, und kann
eine Minderung der Produktionskosten und eine Verbesserung der
Bearbeitbarkeit beim Zusammenbau und der Wartung realisiert werden, wie
in dem Modifikationsbeispiel von Fig. 6.
Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer vierten Ausführung der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 9 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
Die gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 sind mit den gleichen
Bezugssymbolen wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist
weggelassen.
Ein bildrahmenförmiges Element 141 nach dieser Ausführung ist aus dem
gleichen elastischen Material gebildet wie z. B. jenes des flexiblen
Absorptionselements 61b in Fig. 1, in der Form von Federn eines Pfeils im
Querschnitt.
In diesem bildrahmenförmigen Element 141 ist die Separatorpositio
nierungsvorrichtung durch eine im Querschnitt dreieckige Nut 143
aufgebaut, die an der Endfläche seitens der Kühlebene 3B angeordnet ist,
und einen im Schnitt dreieckigen Vorsprungsabschnitt 145, der an der
Endfläche seitens der Reaktionsebene 3A ausgebildet ist.
Bei dieser Konstruktion wird eine Vergrößerung und Verkleinerung des
Raums zwischen Separatoren durch elastische Vergrößerung und
Verkleinerung des bildrahmenförmigen Elements 141 absorbiert. Auch
wenn der im Schnitt dreieckige Vorsprungsabschnitt 145 des
bildrahmenförmigen Elements 141, das an einem der benachbarten
Separatoren 3 angeordnet ist, in die im Schnitt dreieckige Nut 143 des
anderen bildrahmenförmigen Elements 141, das in dem anderen Separator
3 angeordnet ist, eingesetzt wird, kann die Relativposition der Separatoren
automatisch justiert werden, und ferner sind die bildrahmenförmigen
Elemente, die den gleichen Querschnitt haben, an dem Außenrandabschnitt
jedes Separators 3 in der gleichen Form angeordnet. Im Ergebnis kann
verhindert werden, dass Fremdstoffe bei der Erweiterung des Raums
zwischen den Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaften mit der
Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden und dass
der Dichtflächendruck abnimmt, und es kann eine Minderung der
Produktionskosten und eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit beim
Zusammenbau und der Wartung realisiert werden, wie in der Konstruktion
von Fig. 8.
In den oben beschriebenen Konstruktionen, in denen die bildrahmen
förmigen Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131 und 141 an dem
Außenrandabschnitt des Separators angeordnet sind, kann der Außenrand
des Separators 3 zur Bildung gebogener Abschnitte 3a, 3b und 3c geknickt
werden, wie in Fig. 10 gezeigt.
Bei dieser Konstruktion haben die gebogenen Abschnitte 3a, 3b und 3c die
Funktion einer Verstärkungsrippe und eines Elements, das eine Trennung
der bildrahmenförmigen Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131 und
141 verhindert. Im Ergebnis kann wirkungsvoll verhindert werden, dass
sich der dünne Metallseparator 3 verformt und die bildrahmenförmigen
Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131 und 141 getrennt werden.
Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer fünften Ausführung der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 11 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
Die gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 sind mit den gleichen
Bezugssymbolen wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist
weggelassen.
In dieser Brennstoffzelle ist ein ringförmiges Isoliermaterial 201, das ein
Harz, Gummi oder dgl. aufweist, das die Innenumfangsflächen und die
Innenumfangsendflächen abdeckt, um das einlassseitige Oxidationsgas
verbindungsloch 41a, das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a, das
einlassseitige Kühlmittelverbindungsloch 43a, das auslassseitige
Oxidationsgasverbindungsloch 41b, das auslassseitige Brenngasver
bindungsloch 42b und das auslassseitige Kühlmittelverbindungsloch 43b,
die in dem Separator 3 ausgebildet sind, herum angeordnet.
In Fig. 11 ist nur das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b
gezeigt.
Bei dieser Konstruktion kann eine Flüssigkeitsverbindung durch das
Kühlmittel und ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten
Separatoren in dem Reaktionsgaskanal verhindert werden.
Da insbesondere eine Brennstoffzelle nach der vorliegenden Ausführung
Metall und dünne Separatoren verwendet, sind die Räume zwischen den
Separatoren klein, und daher hat diese eine nachteilige Struktur darin, einen
Kurzschluss zwischen Separatoren zu verhindern.
Daher ist der Effekt bei dieser Konstruktion substanziell.
Ferner hat, am Umfang des Verbindungslochs in diesem dünnen
Metallseparator 3, das Isolierelement 201 die Funktion als
Verstärkungsrippe, und daher kann eine Verformung desselben ebenfalls
wirkungsvoll verhindert werden.
Da ferner die Vorsprungshöhe des Isolierelements von den Vorder- und
Rückseiten des Separators derart gesetzt ist, dass das Isolierelement 201,
das an einem der benachbarten zwei Separatoren 3 angeordnet ist, nicht in
Kontakt mit dem Isolierelement 201 an dem anderen Separator 3 kommt,
d. h. ein Spalt 203 zwischen den Isolierelementen 201 gebildet ist, kann
eine Vergrößerung und Verkleinerung des Raums zwischen den
Separatoren durch Erweiterung oder Verengung dieses Spalts 203
absorbiert werden.
Daher kann verhindert werden, dass Fremdstoffe während der Erweiterung
des Raums zwischen den Separatoren eindringen, dass die
Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit
schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt.
Ferner sind Isolierelemente 201, die den gleichen Querschnitt haben, um
die Verbindungslöcher jedes Separators 3 in der gleichen Form herum
angeordnet. Wenn das Isolierelement 201 integral mit dem Separator 3
durch Spritzguss geformt wird, ist daher ein Gießen mit nur einem einzigen
Formtyp möglich, um hierdurch die Produktionskosten reduzieren zu
können.
Fig. 12 und Fig. 13 sind Querschnitte, die Modifikationsbeispiele der
fünften Ausführung zeigen.
In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die
gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen
wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
In dem Modifikationsbeispiel von Fig. 12 ist ein ringförmiges
Isolierelement 211, das das gleiche Material und die gleiche
Querschnittsform wie z. B. jene des bildrahmenförmigen Elements 101 in
Fig. 5 aufweist, um jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und
43b herum angeordnet. In dem Modifikationsbeispiel von Fig. 13 ist ein
ringförmiges Isolierelement 221, das das gleiche Material und die gleiche
Querschnittsform wie z. B. jene des bildrahmenförmigen Elements 111 in
Fig. 6 aufweist, um jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und
43b herum angeordnet.
Bei diesen Konstruktionen kann, wie bei der Konstruktion in Fig. 11,
verhindert werden, dass sich eine Flüssigkeitsverbindung durch das
Kühlmittel und ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten
Separatoren in dem Reaktionsgaskanal bildet, dass Fremdstoffe bei der
Erweiterung des Raums zwischen Separatoren eindringen, dass die
Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit
schlechter werden und der Dichtflächendruck abnimmt.
Insbesondere haben in dem Modifikationsbeispiel in Fig. 13 alle
Isolierelemente 221, die um die jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a,
43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet sind, die gleiche
Querschnittsform. Wenn daher das Isolierelement 221 integral mit dem
Separator 3 durch Spritzguss geformt wird, ist die Form mit nur einem
einzigen Formtyp möglich, um hierdurch eine Reduktion der
Produktionskosten zu ermöglichen.
Fig. 14 und Fig. 15 sind Querschnitte, die andere Modifikationsbeispiele
der fünften Ausführung zeigen.
In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind gleiche
Bauteile wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in
Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
In dem Modifikationsbeispiel von Fig. 14 ist ein ringförmiges
Isolierelement 231, das das gleiche Material und die Querschnittsform wie
z. B. jene des bildrahmenförmigen Elements 61 in Fig. 2 aufweist, um
jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum
angeordnet. In dem Modifikationsbeispiel von Fig. 15 ist ein ringförmiges
Isolierelement 241, das aus dem gleichen Material wie z. B. das des
flexiblen Absorbers Gib in Fig. 2 aufweist und einen Schutzabschnitt
241a an einem der offenen Enden aufweist, um jedes Verbindungsloch
41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet.
Auch bei dieser Konstruktion kann, wie bei der Konstruktion in Fig. 11,
verhindert werden, dass sich eine Flüssigkeitsverbindung durch das
Kühlmittel und ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten
Separatoren in dem Reaktionsgaskanal bildet, dass Fremdstoffe bei der
Erweiterung des Raums zwischen Separatoren eindringen, dass die
Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit
schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt. Ferner können
die Produktionskosten beim integralen Formen der Isolierelemente 231 und
241 mit dem Separator 3 durch Spritzguss reduziert werden.
Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer sechsten Ausführung der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 19A ist ein Querschnitt, der Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt, und
Fig. 19B ist ein vergrößertes Diagramm eines Vorsprungsabschnitts des
Umfangsabdichtmaterials 52a.
In dieser Ausführung sind die gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 mit
den gleichen Bezugssymbolen wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren
Beschreibung ist weggelassen.
In dieser Brennstoffzelle sind beide Oberflächen des außenseitigen
Abschnitts des Umfangsabdichtmaterials 52, d. h. die Vorder- und
Rückseiten des außenseitigen Abschnitts, vollständig durch das
Isoliermaterial 271 abgedeckt. Darüber hinaus sind auch die
Außenumfangsendfläche des Separators 3 und die
Innenumfangsendflächen der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a,
41b, 42b und 43a mit dem Isoliermaterial 271 abgedeckt.
Dieses Isoliermaterial 271 ist aus Elastik- und Elastikschaummaterial, wie
etwa Gummi und dgl., hergestellt, ähnlich dem flexiblen
Absorptionsabschnitt 261b.
Ferner ist das Isolierelement 271 integral mit dem ersten Abdichtmaterial
51 aufgebaut, einschließlich dem Umfangsabdichtmaterial 52, und ist auch
integral mit dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut.
Der flache Abschnitt 52b (der flache Abschnitt des Isolierelements 271b)
des Umfangsabdichtmaterials an einer Seite des benachbarten Separators
3 ist flach ausgebildet, und der Vorsprungsabschnitt 52a (der
Vorsprungsabschnitts des Isolierelements 271a) des Umfangsabdicht
materials an der anderen Seite des benachbarten Separators ist vorstehend
ausgebildet. Ferner ist der obere Abschnitt des Vorsprungsabschnitts des
Umfangsabdichtmaterials im Schnitt halbkreisförmig konfiguriert.
Der Umfangsabschnitt des Separtors 3 und der Innenumfangsabschnitt der
jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b weisen
jeweilige Stufenabschnitte 3d auf. Die Umfangsabschnitte 3a des
Separators 3 und die Innenumfangsabschnitte der jeweiligen
Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b werden durch diese
Stufenabschnitte 3d zur Reaktionsoberfläche 3A umgewandelt. Zwischen
diesen Reaktionsoberflächen 3A des Separators 3 ist ein Raum 253
vorgesehen.
Bei dieser Konstruktion ist es möglich, einen elektrischen Kurzschluss
zwischen Umfangsendabschnitten des Separators 3 und zwischen
Innenumfangsendflächen jeweiliger Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b,
42b und 43a wirkungsvoll zu vermeiden.
Da darüber hinaus beide Oberflächen der freiliegenden Metalloberfläche des
Separators 3 an dem Umfangsabdichtmaterial 52 vollständig mit dem
Isolierelement 271 abgedeckt sind, ist es möglich, die
Korrosionsbeständigkeit der Separatoren zu verbessern und einen
elektrischen Kurzschluss zwischen Separatoren 3 zu verhindern.
Da ferner das Isolierelement 271 integral mit dem ersten Abdichtmaterial
51 und dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut ist, können diese
Isoliermaterialien gleichzeitig geformt werden, wodurch die
Produktionskosten reduziert werden können.
Da die Umfangsabdichtmaterialien 52 in Kombination einer flachen Form
und einer Vorsprungsform ausgebildet sind, ist es möglich, die relative
Fehlausrichtung des vorstehenden Umfangsmaterials in Bezug auf das
flache Umfangsmaterial zu absorbieren, wodurch es unnötig wird, für die
Umfangsabdichtmaterialien 52 einen Ausrichtvorgang durchzuführen.
Da zusätzlich beim Stapeln der Separatoren der flache Abschnitt 52b des
Umfangsabdichtmaterials durch den halbkreisförmigen oberen Abschnitt
des Vorsprungsumfangsabdichtmaterials 52a unter Druck gesetzt wird, ist
es möglich, die Abdichtung zwischen den Umfangsabschnitten zu
verbessern.
Da darüber hinaus Stufenabschnitte 3d, die an den Außenrandabschnitten
3d der aus dünnen Metallplatten hergestellten Separatoren 3 vorgesehen
sind und um die Verbindungslöcher herum vorgesehen sind, die Funktion
einer Verstärkungsrippe haben, kann eine Verformung der Separatoren 3
wirkungsvoll verhindert werden.
Da die Vorsprungshöhe des Stufenabschnitts von den Vorder- zu den
Rückseiten der benachbarten Separatoren 3 so gesetzt ist, dass die
Passage zu den Reaktionsoberflächen 3a nicht verschließt, d. h. um einen
Raum 273 zu bilden, kann die Vergrößerung und Verkleinerung zwischen
benachbarten Separatoren 3 durch die Vergrößerung und Verkleinerung des
Raums 273 absorbiert werden.
Demzufolge lässt sich verhindern, dass von außen Materialien in den Raum
eindringen, wenn sich dieser aufweitet, dass das Abdichtmaterial im Lauf
der Zeit altert und dass Dichtflächendruck abnimmt.
Fig. 16 ist ein Querschnitt, der eine sechste Ausführung zeigt.
In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die
gleichen Bauteile wie jene von Fig. 2 mit den gleichen Bezugssymbolen
wie in Fig. 2 bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen.
Ein bildrahmenförmiges Element 251 nach dieser Ausführung ist so
aufgebaut, dass der Außenumfang eines Körperabschnitts 251a, der am
Außenumfangsabschnitt des Separators 3 angeordnet ist, mit einem
flexiblen Absorptionsabschnitt 251b abgedeckt ist, der ein
vibrationsisolierendes Material, wie etwa Gummi, aufweist, sodass der
flexible Absorptionsabschnitt 251b auch eine Funktion als Lagerabschnitt
an dem Fahrzeugkörper hat.
Auch bei dieser Konstruktion kann, wie in der Konstruktion der Fig. 1,
verhindert werden, dass Fremdstoffe während der Erweiterung des Raums
zwischen die Separatoren eindringen und dass die Dichteigenschaften mit
der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden.
Falls darüber hinaus die Brennstoffzellen 1 in der seitlichen Richtung (in der
horizontalen Richtung) gestapelt [gestapelt] und an einer Klemmfläche 300
angebracht werden, kommt der flexible Absorptionsabschnitt 251b des
bildrahmenförmigen Elements 251 in Kontakt mit der Klemmfläche 300 der
Brennstoffzelle 1, um auch eine Vibrationsisolationsfunktion zu haben.
Daher ist es nicht notwendig, das vibrationsisolierende Teil an dem
Brennstoffzellenstapel als separater Körper anzubringen, um hierdurch eine
Kostenreduktion zu ermöglichen.
Der flexible Absorptionsabschnitt 251b, der das vibrationsisolierende
Material aufweist, kann für jede Brennstoffzelle vorgesehen sein, oder als
Einheit für einen Mehrzahl von Brennstoffzellen.
Ein in Fig. 17 gezeigtes Modifikationsbeispiel zeigt einen Brennstoff
zellenstapel, in dem ein flexibler Absorptionsabschnitt 251b, der das
vibrationsisolierende Material aufweist, für jede Brennstoffzelle vorgesehen
ist. In diesem Brennstoffzellenstapel sind der flexible Absorptionsabschnitt
251b, der das vibrationsisolierende Material aufweist, und ein flexibler
Absorptionsabschnitt 251c, der das gleiche Material wie das des flexiblen
Absorptionsabschnitts 61b in Fig. 2 aufweist, für jeden anderen Separator
3 abwechselnd angeordnet.
In den oben beschriebenen Ausführungen und Modifikationsbeispielen ist
der Separator 3 aus rostfreiem Stahl gebildet, kann jedoch aus jedem
anderen Metallmaterial, wie etwa Titan, gebildet sein oder einem
kohlenstoffartigen Material.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, können gemäß der
vorliegenden Erfindung die folgenden Effekte erhalten werden.
- 1. Nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, in Bezug
auf eine den Raum zwischen Separatoren vergrößernden Bewegung, kein
Spalt zwischen dem Separator und dem bildrahmenförmigen Element
gebildet, und ferner wird, in Bezug auf eine den Raum zwischen
Separatoren verengende Bewegung, diese Bewegung durch das
bildrahmenförmige Element nicht eingeschränkt. Im Ergebnis kann
wirkungsvoll verhindert werden, dass Fremdstoffe beim Erweitern des
Raums zwischen Separatoren eindringen und die Abdichtung mit der
Alterung des Materials im Lauf der Zeit ungenügend wird, und es kann eine
ausgezeichnete Stromerzeugungsleistung beibehalten werden.
- 2. Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Weite
oder Enge des Raums zwischen Separatoren durch eine relative
Gleitbewegung der bildrahmenförmigen Elemente mechanisch absorbiert
werden. Im Ergebnis kann auch wirkungsvoll verhindert werden, dass
Fremdstoffe beim Erweitern des Raums zwischen Separatoren eindringen
und die Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit
ungenügend wird, und es kann eine ausgezeichnete Stromerzeugungs
leistung beibehalten werden.
- 3. Da nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung das
elastische Element in der Lage ist, sich in der Stapelrichtung der
Separatoren federnd zu kontrahieren, ist die relative Annäherung der
Separatoren nicht eingeschränkt. In Bezug auf eine Vergrößerung des
Raums zwischen den Separatoren wird das elastische Element federnd
entspannt und dehnt sich in der Stapelrichtung der Separatoren und folgt
dem Separator. Im Ergebnis kann auch wirkungsvoll verhindert werden,
dass Fremdstoffe beim Erweitern des Raums zwischen Separatoren
eindringen und die Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im
Lauf der Zeit ungenügend wird, und es kann eine exzellente
Stromerzeugungsleistung beibehalten werden.
- 4. Nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die
Registrierung der Separatoren automatisch beim Stapeln der Separatoren,
und daher kann die Bearbeitung während des Zusammenbaus und der
Wartung verbessert werden.
- 5. Nach der Erfindung von Anspruch 5 ist es möglich, einen
elektrischen Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren zu
verhindern, und hierdurch kann eine gute Stromerzeugungsleistung des
Brennstoffzellenstapels beibehalten werden.
- 6. Nach dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
möglich, die Korrosionsbeständigkeit von Separatoren zu verbessern und
den elektrischen Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren zu
verhindern, und hierdurch wird es möglich, eine gute Strom
erzeugungsleistung beizubehalten.
- 7. Nach dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich,
die Korrosionsbeständigkeit von Separatoren zu verbessern und den
elektrischen Kurzschluss zwischen Separatoren zu verhindern, und
hierdurch wird es möglich, die gute Stromerzeugungsleistung
beizubehalten.
- 8. Da es nach dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich
ist, die Fehlausrichtung des vorstehenden Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelements in Bezug auf das flache Reaktionsoberflächen-
Umfangsabdichtelement zu absorbieren, kann die Produktivität des
Brennstoffzellenstapels verbessert werden.
- 9. Nach dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann nicht nur
in einer einzelnen Brennstoffzelle, sondern auch zwischen den
benachbarten Brennstoffzellen einer Vergrößerung und Verkleinerung des
Raums zwischen den Separatoren gefolgt werden. Im Ergebnis kann auch
wirkungsvoll verhindert werden, dass Brennstoff beim Vergrößern des
Raums zwischen Separatoren eindringt und die Abdichtung mit der
Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit ungenügend wird, und es
kann eine exzellente Stromerzeugungsleistung beibehalten werden.
- 10. Da es nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich
ist, die Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel und einen elektrischen
Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren wirkungsvoll zu
verhindern, kann daher eine exzellente Stromerzeugung noch zuverlässiger
beibehalten werden.
- 11. Nach dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich,
die Vergrößerung und Verkleinerung der Räume zwischen Separatoren zu
absorbieren, ist es möglich, das Eindringen von Fremdstoffen bei der
Vergrößerung des Raums zwischen Separatoren, eine ungenügende
Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit und eine
Minderung des Dichtflächendrucks zu verhindern.
- 12. Da nach dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung eine
Vergrößerung und Verkleinerung der Räume zwischen Separatoren
mechanisch absorbiert werden kann, ist es möglich, das Eindringen von
Fremdstoffen bei der Vergrößerung des Raums zwischen Separatoren, eine
ungenügende Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf
der Zeit und eine Minderung des Dichtflächendrucks wirkungsvoll zu
verhindern.
- 13. Nach dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der
Kontraktion der Räume zwischen Separatoren gefolgt werden, weil das
elastische Material in der Stapelrichtung der Kondensatoren elastisch
kontrahiert werden kann. Da bei der Ausdehnung der Räume zwischen
Separatoren sich das elastische Material durch elastische Entspannung
längen kann, ist es möglich, das Eindringen von Fremdstoffen während der
Vergrößerung des Raums zwischen Separatoren, eine ungenügende
Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit und eine
Minderung des Dichtflächendrucks wirkungsvoll zu verhindern.
- 14. Nach dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
möglich, den elektrischen Kurzschluss an den Innenumfangsflächen der
jeweiligen Verbindungslöcher benachbarter Separatoren wirkungsvoll zu
verhindern, und hierdurch ist die Brennstoffzelle zu einer guten
Stromerzeugungsleistung in der Lage.
- 15. Nach dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
möglich, die relative Fehlausrichtung von einem der Isolierelemente zu dem
anderen Isolierelement durch Kombination eines flachen Elements und eines
vorstehenden Elements zu absorbieren und hierdurch die Produktivität der
Brennstoffzelle zu erhöhen.
- 16. Nach dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
möglich, die relative Fehlausrichtung von einem der Isolierelemente zu dem
anderen Isolierelement durch Kombination eines flachen Elements und eines
vorstehenden Elements zu absorbieren, um hierdurch die Produktivität der
Brennstoffzelle zu erhöhen.
- 17. Da es nach dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung
möglich ist, den Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren zu
verhindern, wird die gute Stromerzeugungsleistung beibehalten.
- 18. Da es nach dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung
möglich ist, das Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement und das
Isolierelement gleichzeitig integral aufzubauen, können hierdurch die
Produktionskosten reduziert werden.
- 19. Nach dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
möglich, die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren zu verbessern, und
es ist auch möglich, einen Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren
wirkungsvoll zu verhindern. Somit ist es möglich, die gute Strom
erzeugungsleistung beizubehalten.
In einer Festpolymer-Elektrolytmembrane [Folien]-Brennstoffzelle der
Erfindung, wo ein Paar von Elektroden an entgegengesetzten Seiten einer
Festpolymerelektrolytmembrane [Folie] vorgesehen ist, und die Außenseite
davon durch ein Paar von Separatoren eingeklemmt ist, und nicht-leitfähige
bildrahmenförmige Elemente 61 an den Außenrandabschnitten des
Separators angeordnet sind, um eine Vergrößerung und Verkleinerung eines
Raums zwischen Separatoren zu gestatten, während ein Spalt zwischen
den Separatoren abgedichtet wird.