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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche durch
Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist,
die durch sandwichartiges Anordnen einer Elektrodenanordnung zwischen
Separatoren gebildet sind.
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Unter
Brennstoffzelleneinheiten gibt es einen Typ, welcher in einer Plattenform
durch sandwichförmiges
Anordnen einer Elektrodenanordnung zwischen einem Paar von Separatoren
ausgebildet ist, wobei die Elektrodenanordnung durch Anordnen einer
Anodenelektrode bzw. einer Kathodenelektrode auf beiden Seiten einer
Festpolymerelektrolytmembran gebildet ist. Eine Brennstoffzelle
ist gebildet durch Stapeln einer Mehrzahl von auf diese Art und Weise
strukturierten Brennstoffzelleneinheiten in der Dickenrichtung der
Brennstoffzelleneinheiten.
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Bei
jeder Brennstoffzelleneinheit sind ein Verbindungsweg für Brennstoffgas
(z.B. Wasserstoff) an einer Fläche
des anodenseitigen Separators vorgesehen, welcher zur Anodenelektrode
hinweisend angeordnet ist, sowie ein Verbindungsweg für Oxidationsgas
(z.B. Luft, die Sauerstoff enthält)
an einer Fläche
des kathodenseitigen Separators vorgesehen, welcher zur Kathodenelektrode
hinweisend angeordnet ist. Zusätzlich
ist ein Verbindungsweg für ein
Kühlmedium
(z.B. reines Wasser) zwischen benachbarten Separatoren benachbarter
Brennstoffzelleneinheiten vorgesehen.
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Wenn
Brennstoffgas der Elektrodenreaktionsfläche der Anodenelektrode zugeführt wird,
wird hier Wasserstoff ionisiert und bewegt sich über die Festpolymerelektrolytmembran
zur Kathodenelektrode. Elektronen, welche zwischen diesen beiden
erzeugt werden, werden zu einer externen Schaltung abgezogen und
als elektrische Gleichstromenergie verwendet. Da der Kathodenelektrode
Oxidationsgas zugeführt
wird, reagieren Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff derart,
dass sie Wasser erzeugen. Da Wärme
generiert wird, wenn Wasser an der Elektrodenreaktionsfläche erzeugt
wird, wird die Elektrodenreaktionsfläche durch ein Kühlmedium
gekühlt,
welches man zwischen den Separatoren strömen lässt.
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Das
Brennstoffgas, das Oxidationsgas (im Allgemeinen als Reaktionsgas
bekannt) und das Kühlmedium
müssen
jeweils durch einen gesonderten Verbindungsweg hindurchströmen. Daher
ist eine Dichtungstechnologie wesentlich, welche jeden Verbindungsweg
in einem fluiddichten oder luftdichten Zustand hält. Beispiele von Abschnitten,
welche abzudichten sind, sind: die Randbereiche von durchdringenden
Zufuhranschlüssen,
welche ausgebildet sind, um Reaktionsgas und Kühlmedium einer jeden Brennstoffzelleneinheit
der Brennstoffzelle zuzuführen
und an diese zu verteilen; die Randbereiche von Ablassöffnungen,
welche das Reaktionsgas und das Kühlmedium sammeln und ablassen,
welche von jeder Brennstoffzelleneinheit abgelassen werden; die Außenrandbereiche
der Elektrodenanordnungen; sowie die Außenrandbereiche zwischen den
Separatoren benachbarter Brennstoffzelleneinheiten. Ein Material,
welches weich ist und ebenso die geeignete Nachgiebigkeit aufweist,
wie etwa organischer Gummi, wird für das Dichtelement verwendet.
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In
den letzten Jahren wurden jedoch Schwierig keiten bei der Größen- und
Gewichtsverringerung und ebenso bei einer Verringerung der Kosten
von Brennstoffzellen zu den Haupthindernissen bei einem Fortschritt
zu einer weiterverbreiteten Anwendung von Brennstoffzellen durch
ihre Anbringung in derzeitigen Fahrzeugen.
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Verfahren,
welche zur Verringerung der Größe einer
Brennstoffzelle erdacht wurden, umfassen ein dünneres Ausbilden einer jeden
die Brennstoffzelle bildenden Brennstoffzelleneinheit, genauer ein Verringern
der Größe des Raums
zwischen Separatoren, während
eine maximale Größe für den im
Inneren einer jeden Brennstoffzelleneinheit gebildeten Reaktionsgasverbindungsweg
beibehalten wird; und ebenso ein dünneres Ausführen der Separatoren.
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Durch
die Festigkeitsanforderungen für
jeden Separator und durch die Steifigkeitsanforderungen für die Brennstoffzelle
ist jedoch eine Grenze auferlegt, wie dünn die Separatoren ausgebildet
werden können.
Ein Verringern der Höhe
der Dichtelemente ist zwar bei einer Verringerung der Größe des Raums
zwischen Separatoren effektiv, jedoch muss die Höhe der Dichtelemente ausreichend
sein, damit die Dichtelemente in ausreichendem Maß niedergedrückt werden
können,
um zu gewährleisten,
dass die erforderliche Dichtwirkung erreicht wird. Daher besteht
ebenso eine Grenze, wie sehr die Höhe von Dichtelementen verringert
werden kann.
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Obwohl
bei einer Brennstoffzelleneinheit das durch die Dichtelemente eingenommene
Volumen unentbehrlich ist, damit das Reaktionsgas und das Kühlmedium
darin abgedichtet sind, muss es darüber hinaus so klein wie möglich ausgeführt werden,
da dieser Raum praktisch nichts zur Energieerzeugung beiträgt.
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23 ist eine Draufsicht,
welche eine herkömmliche
Brennstoffzelle zeigt. In 23 bezeichnet
das Bezugszeichen 107 eine Verbindungsöffnung, wie etwa eine Brennstoffgaszufuhröffnung und -ablassöffnung,
eine Oxidationsgaszufuhröffnung und
-ablassöffnung
sowie eine Kühlmediumzufuhröffnung und
-ablassöffnung,
welche jeweils die Brennstoffzelle 106 in der Richtung
durchdringen, in welcher Separatoren 109 und 110 gestapelt
sind. Das Bezugszeichen 112 bezeichnet eine Fläche, welche durch
eine Mehrzahl von Brennstoffgasverbindungswegen, Oxidationsgas verbindungswegen
und Kühlmediumverbindungswegen
gebildet ist, welche entlang der Separatoren 109 und 110 verlaufen.
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24 ist eine Längs-Querschnittsansicht einer
herkömmlichen
Brennstoffzelle 106 entlang der Linie X-X in 23. Wie in Draufsicht zu
sehen ist, sind die Außenabmessungen
in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 106 auf ein Minimum
gehalten, um das durch das Dichtungselement (welches zur Energieerzeugung
nicht beiträgt)
eingenommene Volumen so klein wie möglich zu machen, und zwar herkömmlicherweise
durch Anordnen von Gasdichtungselementen 102 und 103,
welche jeweils einen Brennstoffgasverbindungsweg 100 and
einen Oxidationsgasverbindungsweg 101 abdichten, gemeinsam mit
einem Kühlflächendichtungselement 104,
welches einen Kühlmediumverbindungsweg
abdichtet, in einer Reihe in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten 105 ausgerichtet.
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Der
Nachteil jedoch bei der Brennstoffzelle 106, welche in
dieser Weise aufgebaut ist, ist, dass dann, wenn die Gasdichtungselemente 102 und 103, welche
die Verbindungswege 100 und 101 abdichten, ebenso
wie das Kühlflächendichtungselement 104 alle
in einer Reihe in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 105 angeordnet
sind, die Dicke der Brennstoffzelle 106 nicht kleiner als
ein Wert gemacht werden kann, welcher durch Addieren der Höhe des Kühlflächendichtungselements 104 zu
der minimalen Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 105 und
durch Multiplizieren dieses Ergebnisses mit der Anzahl an in der
Brennstoffzelle gestapelten Brennstoffzelleneinheiten erhalten wird.
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Um
dieses genauer zu erläutern,
kehrt die Beschreibung zu 24 zurück. 24 ist eine Längs-Querschnittsansicht,
welche einen Querschnitt der Brennstoffzelle 106 in der
Nähe der Brennstoffgaszufuhröffnung 107 in
der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten 105 zeigt.
Gemäß 24 sind die Brennstoffgaszufuhröffnung 107 und der
Brennstoffgasverbindungsweg 100, welche durch die Gasdichtungselemente 102 und 103 in einem
abgedichteten Zustand isoliert sind, durch einen Verbindungsweg 108 verbunden.
Der Verbindungsweg 108 ist in dem Separator 109 derart
vorgesehen, dass er in der Dickenrichtung des Separators 109 um das
Gasdichtungselement 102 herumführt, welches den gesamten Randbereich
des Brennstoffgasverbindungswegs 100 abdichtet. Darüber hinaus
weist der Separator 110 einen (nicht gezeigten) ähnlichen Verbindungsweg
in der (nicht dargestellten) Oxidationsgaszufuhröffnung auf.
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Dementsprechend
ist jeder der Separatoren 109 und 110 vergleichsweise
dick ausgebildet, um den Verbindungsweg 108 zu bilden.
Wie jedoch im Querschnitt in 24 an
der Position der Dichtungslinie zu sehen ist, bei welcher jedes
der Dichtungselemente 102 bis 104 angeordnet ist,
sind die Separatoren 109 und 110 mit der minimalen
Dicke ausgebildet, welche notwendig ist, um die geforderte Festigkeit
sicherzustellen, und es ist nicht möglich, sie irgendwie dünner auszuführen.
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Da
jedes der Dichtungselemente 102 bis 104 mit der
minimalen Höhe
gebildet ist, welche benötigt wird,
um die Dichtungswirkung sicherzustellen, ist es darüber hinaus
nicht möglich,
die Höhe
der Dichtungselemente 102 bis 104 weiter zu verringern.
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Als
Folge ist es äußerst schwierig,
eine weitere Dickenreduktion zu erreichen, wobei die Dicke der Brennstoffzelle 106 durch
Multiplizieren der Anzahl an Stapeln mit der Summe aus der minimalen Dicke
der zwei Separatoren 109 und 110; der zur Bildung
des Verbindungswegs 108 benötigten Dicke, der Höhe der zwei
Gasdichtungselemente 102 und 103, der Dicke der
Festpolymerelektrolytmembran 111 und der Dicke des Kühlflächendichtungselements 104 gefunden
wird, da diese alle unerlässlich sind.
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Dokument
EP 1 083 616 A2 offenbart
eine Brennstoffzelle, bei der Gasverbindungswege als Nuten und Durchgangslöcher in
Separatorelementen vorgesehen sind, um eine dünnwandige Brennstoffzelle bereitzustellen.
Dokument
US 6 261 710
B1 offenbart eine Trennplatte für eine Brennstoffzelle, welche
aus wenigstens zwei Metallplattenelementen gebildet ist, welche
derart geformt und aufeinander gestapelt sind, dass sie einen Kühlmittelverbindungsweg
zwischen sich bilden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände gemacht.
Es ist eine Aufgabe derselben, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche
durch Verringerung ihrer Dicke in der Stapelrichtung leichter und
kleiner gemacht wurde, während
die jeweiligen Verbindungswege unter Verwendung der jeweiligen Dichtungselemente
zwischen den Separatoren und den Elektrodenanordnungen, die die
Brennstoffzelle bilden, zuverlässig
abgedichtet sind.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Um
die obigen Probleme zu lösen,
ist ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle,
umfassend Brennstoffzelleneinheiten, wobei die Brennstoffzelleneinheiten
gestapelt sind und wenigstens einen Kühlmediumverbindungsweg zwischen
sich aufweisen und der Kühlmediumverbindungsweg
durch ein Kühlflächendichtungselement
abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit umfasst:
eine
Elektroden-Elektrolyt-Anordnung, welche durch Anordnen von Elektroden
an beiden Seiten eines Elektrolyts gebildet ist;
Separatoren,
welche die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung in der Dickenrichtung
derselben sandwichartig zwischen sich aufnehmen; sowie Gasdichtungselemente,
welche an einem Außenumfangsabschnitt
der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung angeordnet sind und welche jeweilige
Reaktionsgasdurchgänge
abdichten, die zwischen jedem Separator und der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung
ausgebildet sind und durch die Separatoren und die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung
begrenzt sind, wobei in jedem der Separatoren Reaktionsgasverbindungsöffnungen
und Kühlmediumverbindungsöffnungen
vorgesehen sind, welche an der Außenseite von Hauptschlaufenabschnitten
der Gasdichtungselemente vorgesehen sind, und Reaktionsgasverbindungswege
vorgesehen sind, welche um die Hauptschlaufenabschnitte der Gasdichtungselemente
in der Dickenrichtung der Separatoren herum führen und Reaktionsgasverbindungsöffnungen
mit Reaktionsgasdurchgängen
verbinden; und
in wenigstens einem Separator der Separatoren,
welche einander benachbart angeordnet sind und zwischen sich einen
Kühlmediumverbindungsweg aufweisen,
ein konvexer Abschnitt vorgesehen ist, der von einer Rückfläche der
Reaktionsgasverbindungswege über
wenigstens einen Bereich vorsteht, der den Reaktionsgasverbindungswegen
entspricht, und in dem anderen Separator ein konkaver Abschnitt vorgesehen
ist, welcher den konvexen Abschnitt aufnimmt.
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Gemäß der Brennstoffzelle
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Dicke dieses Separators auf
das Minimum zu verringern und die Dicke sicherzustellen, welche
benötigt
wird, um die Reaktionsgasverbindungswege zu bilden, da ein konvexer
Abschnitt in einem Separator vorgesehen ist. Da in dem anderen Separator
ein konkaver Abschnitt vorgesehen ist, welcher den konvexen Abschnitt
aufnimmt, ist es darüber
hinaus möglich,
den konkaven Abschnitt zu verwenden, um die durch den konvexen Abschnitt
erzeugte Dickenzunahme auszugleichen. Dementsprechend kann die zur
Bildung der Reaktionsgasverbindungswege notwendige Dicke durch einen
Separator und den anderen Separator gemeinsam sichergestellt sein
und es ist nicht notwendig, die zur Bildung der Reaktionsgasverbindungswege
notwendige Dicke in jedem der beiden Separatoren zu gewährleisten.
Daher ist es möglich,
die notwendige Dicke eines jeden Separators um den entsprechenden
Betrag zu reduzieren und die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit
zu verringern. Es wird angemerkt, dass dann, wenn die zur Bildung
der Reaktionsgasverbindungswege erforderliche Dicke in einem Separator
des Separatorenpaars sichergestellt ist, es möglich ist, den Reaktionsgasverbindungsweg ohne
Bereitstellung des konvexen Abschnitts zu bilden. Da es nicht notwendig
ist, in dem anderen Separator den dem konvexen Abschnitt entsprechenden konkaven
Abschnitt bereitzustellen, kann dementsprechend die Dicke des anderen
Separators auf das Minimum verringert sein. Da die kombinierte Dicke beider
Separatoren bei dem minimalen Wert gehalten werden kann und da die
Anzahl an Stellen, an welchen derartige Abschnitte ausgebildet sind,
verglichen damit, wenn ein konvexer Abschnitt und ein konkaver Abschnitt
in beiden Separatoren vorgesehen sind, um die Hälfte reduziert ist, wird durch
Verwendung einer solchen Struktur der Herstellungsprozess vereinfacht.
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Da
in einer Brennstoffzelle einige Hundert Brennstoffzelleneinheiten
gestapelt sein können,
ist es möglich,
eine beträchtliche
Größenreduktion
in der Brennstoffzelle als Ganzes nach Maßgabe dessen zu erreichen,
wie viele Einheitszellen gestapelt sind, wobei die Dicke einer jeden
von diesen verringert worden ist.
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Ein
weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoff
zelte, bei welcher das Kühlflächendichtungselement,
welches den Kühlmediumverbindungsweg
von den Reaktionsgasverbindungsöffnungen
abdichtet, an einer Position vorgesehen ist, welche näher als
die Reaktionsgasverbindungswege an der Reaktionsgasverbindungsöffnung liegt.
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Bei
der Brennstoffzelle dieses Gesichtspunkts der Erfindung kann, da
das Kühlflächendichtungselement,
welches den Kühlmediumverbindungsweg
abdichtet, an einer Position vorgesehen ist, welche von den Verbindungswegen
zu der Verbindungsöffnungsseite
hin verschoben ist, die Position des Kühlflächendichtungselements in der
Stapelrichtung ungeachtet der in der Nähe des Gasdichtungselements
vorgesehenen Verbindungswege gewählt
werden.
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Als
Folge ist es möglich,
die Position des Kühlflächendichtungselements
mit der Position der Verbindungswege in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten
zu überlappen.
Es ist daher möglich,
die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit um den Betrag dieses Überlappungsabschnitts
zu verringern.
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Noch
ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle,
bei welcher, außer
in der Umgebung des Reaktionsgasverbindungswegs, das Kühlflächendichtungselement
an im Wesentlichen der gleichen Position angeordnet ist wie die
Gasdichtungselemente, betrachtet aus der Stapelrichtung.
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Bei
der Brennstoffzelle dieses Gesichtspunkts der Erfindung muss ein
Separator in der Nähe eines
Verbindungswegs, welcher gebildet ist, um um das Gasdichtungselement
in der Dickenrichtung herumzuführen,
um den Höhenbetrag
des Verbindungswegs dicker ausgeführt sein. Daher ist das Kühlflächendichtungselement
zu den Verbindungsöffnungen
hin verschoben und eine Situation, bei welcher die Gasdichtungselemente
auf der gleichen Dichtungslinie wie die Kühlflächendichtungselemente angeordnet
sind, ist vermieden. In anderen Abschnitten als der Nachbarschaft
zu den Verbindungswegen, ist es durch Anordnen der Gasdichtungselemente
in Reihenausrichtung mit den Kühlflächendichtungselementen
in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten möglich, den
Oberflächeninhalt
der Brennstoffzelleneinheiten zu verringern. Durch Verschieben der
Dichtungslinie in die Nähe
der Verbindungsöffnungen
in der gleichen Art und Weise wie bei den Brennstoffzellen gemäß dem obigen
ersten Gesichtspunkt, ist es darüber
hinaus möglich,
das Kühlflächendichtungselement
mit den Verbindungswegen in der Stapelrichtung zu überlagern
und das Kühlflächendichtungselement
und das Gasdichtungselement können
in der Stapelrichtung einander benachbart angeordnet sein. Dadurch
wird eine weitere Verringerung der Dicke der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann jeder zwischen
den einander benachbarten Brennstoffzelleneinheiten ausgebildete
Zwischenraum als Kühlmediumverbindungsweg
vorgesehen sein. Bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung
können
zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten einen Satz aus Brennstoffzelleneinheiten bilden
und jeder zwischen benachbarten Sätzen von Brennstoffzelleneinheiten
ausgebildete Zwischenraum kann als Kühlmediumverbindungsweg vorgesehen
sein.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann das Gasdichtungselement
als eine doppelt dichtende Struktur an einer Seite eines Separators
vorgesehen sein, welcher einen Teil der Brennstoffzelleneinheit
bildet.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann eine Elektrode
der Elektroden sich zu einer Größe erstrecken,
welche im Wesentlichen die gleiche wie jene des Elektrolyts ist.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung können die Separatoren aus Metallplatten durch
Pressumformen gebildet sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, welche in typischer Ansicht
eine Brennstoffzelleneinheit zeigt, die die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildet.
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2 ist
eine Draufsicht, welche die Elektrodenanordnung zeigt, die die in 1 gezeigte
Brennstoffzelleneinheit bildet.
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3 ist
eine Draufsicht, welche einen Separator zeigt, der die in 1 gezeigte
Brennstoffzelleneinheit bildet.
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4 ist
eine Draufsicht, welche einen weiteren Separator zeigt, der die
in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
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5A und 5B sind
Draufsichten, welche die Rückflächen der
in 3 und 4 gezeigten Separatoren zeigen.
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6 ist
eine Draufsicht, welche das Gasdichtungselement zeigt, das die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit
bildet.
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7 ist
eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das in 6 gezeigte
Gasdichtungselement an dem in 3 gezeigten
Separator angeordnet ist.
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8 ist
eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das in 6 gezeigte
Gasdichtungselement an der in 2 gezeigten
Elektrodenanordnung angeordnet ist.
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9 ist
eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, bei welchem das in 6 gezeigte
Gasdichtungselement an dem in 4 gezeigten
Separator angeordnet ist.
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10 ist
eine Draufsicht, welche das Kühlflächendichtungselement
zeigt, das die in 1 gezeigte Brennstoffzelle bildet.
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11 ist
eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, bei welchem das in 10 gezeigte Kühlflächendichtungselement
an dem in 5 gezeigten Separator angeordnet
ist.
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12A ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang
der Linie A-A in 9, welche die in 1 gezeigte
Brennstoffzelle zeigt, und 12B ist
eine Längs-Querschnittsansicht
entlang der Linie B-B, welche die in 1 gezeigte
Brennstoffzelle zeigt.
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13A ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang
der Linie C-C in 9, welche die in 1 gezeigte
Brennstoffzelle zeigt, und 13B ist
eine Längs-Querschnittsansicht
entlang der Linie D-D, welche die in 1 gezeigte
Brennstoffzelle zeigt.
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14 ist
eine Längs-Querschnittsansicht entlang
der Linie E-E in 9, welche die in 1 gezeigte
Brennstoffzelle zeigt.
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15A und 15B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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16A und 16B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die dritte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung entsprechend den 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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17A und 17B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend den 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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18A und 18B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend den 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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19A und 19B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend den 13A und 13B der ersten Ausführungsform zeigen.
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20A und 20B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend den 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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21A und 21B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend den 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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22A und 22B sind
Längs-Querschnittsansichten,
welche die achte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend den 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.
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23 ist
eine Draufsicht, welche schematisch eine Brennstoffzelleneinheit
in einer herkömmlichen
Brennstoffzelle zeigt.
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24 ist
eine Längs-Querschnittsansicht, welche
die Nachbarschaft einer Brennstoffgaszufuhröffnung in der in 23 gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Linie X-X zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Brennstoffzelle 1 gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden ausführlich mit
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.
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Wie
in 12A und 12B gezeigt
ist, ist die Brennstoffzelle 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
gebildet durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2.
Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Brennstoffzelleneinheit 2 gebildet
durch sandwichartiges Anordnen einer Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 zwischen
einem Paar von Separatoren 4 und 5. Zwischen der
Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 und jedem der Separatoren 4,
und 5 sind jeweils Gasdichtungselemente 6 und 7 angeordnet. Wie
in 12A und 12B gezeigt
ist, begrenzen diese Gasdichtungselemente 6 und 7 einen
Brennstoffgasdurchgang 8 und einen Oxidationsgasdurchgang 9,
um sie auf beiden Seiten der Elektroden-Eletrolyt-Anordnung 3 abzudichten.
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Wie
in 2 und 12A und 12B gezeigt ist, weist die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 beispielsweise
eine Festpolymerelektrolytmembran 10 auf (unten einfach
als Elektrolytmembran bezeichnet), welche aus einem Perfluorsulfonat-Polymer
gebildet ist, und weist eine Anodenelektrode 11 und eine
Kathodenelektrode 12 auf, welche zwei Flächen der
Elektrolytmembran 10 sandwichartig zwischen sich aufnehmen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, weist die Elektrolytmembran 10 beispielsweise
eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 10a auf.
Die Elektrolytmembran 10 ist von der gleichen Größe wie die
Separatoren 4 und 5, welche unten beschrieben
werden, und jedes der Durchgangslöcher 10a ist an einer
Position angeordnet, welche den jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und
den jeweiligen Ablassöffnungen 20 bis 22 der Separatoren 4 und 5 entspricht.
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Die
Anodenelektrode 11 und die Kathodenelektrode 12 sind
beispielsweise aufgebaut durch Stapeln von Katalysatorlagen, welche
aus einer Legierung mit Pt (Platin) als Hauptbestandteil gebildet sind,
auf einer Fläche
einer aus porösem
Kohlenstoffgewebe oder porösem
Kohlenstoffpapier gebildeten Gasdiffusionslage, welche sich in Kontakt
mit der Elektrolytmembran 10 befindet.
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Zwei
Arten von Separatoren 4 und 5 können für die Separatoren 4 und 5 verwendet
werden, welche die Brennstoffzelleneinheiten 2 bilden.
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, ist jeder der
Separatoren 4 und 5 gebildet aus: geriffelten
Abschnitten 4a und 5a, welche aus einer Mehrzahl
von Vertiefungen und Höckern
gebildet ist, die eine feste Höhe
haben und in einem festen Muster durch Ausschaben einer Mehrzahl
von Nuten 13 bis 16 (siehe 13B)
in einer Fläche
einer flachen Platte aus Kohlenstoff gebildet sind; einer Brennstoffgaszufuhröffnung (Reaktionsgasverbindungsöffnung) 17,
einer Oxidationsgaszufuhröffnung
(Reaktionsgasverbindungsöffnung) 18,
einer Kühlmediumzufuhröffnung (Kühlmediumverbindungsöffnung) 19,
einer Brennstoffgasablassöffnung
(Reaktionsgasverbindungsöffnung) 20,
einer Oxidationsgasablassöffnung
(Reaktionsgasverbindungsöffnung) 21 und
einer Kühlmediumablassöffnung (Kühlmediumverbindungsöffnung) 22,
welche jeweils die zwei Separatoren 4 und 5 durchdringen, um
sowohl die Zufuhr als auch die Abfuhr von Brennstoffgas (z.B. Wasserstoffgas),
Oxidationsgas (z.B. Luft, die Sauerstoff enthält) und einem Kühlmedium (z.B.
reines Wasser) zu ermöglichen,
welche man durch die geriffelten Abschnitte 4a und 5a strömen lässt; sowie
ebenen Abschnitten 4b und 5b, welche derart angeordnet
sind, dass sie jede Zufuhröffnung 17 bis 19,
jede Ablassöffnung 20 bis 22 und
jeden geriffelten Abschnitt 4a und 5a umgeben.
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Wie
in 3 und 4 gezeigt ist, sind die Kühlmediumzufuhröffnung 19 und
die Kühlmediumablassöffnung 22 im
Wesentlichen in der Mitte in der Querrichtung der Separatoren 4 und 5 angeordnet (d.h.
die durch den Pfeil P angezeigte Richtung). Die Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und
die Oxidationsgaszufuhröffnung 18 sind
an beiden Seiten in der Querrichtung der Separatoren 4 und 5 (d.h.
die durch den Pfeil P angezeigte Richtung) angeordnet, wobei sie
die Kühlmediumzufuhröffnung 19 sandwichartig zwischen
sich aufnehmen. Darüber
hinaus sind die Brennstoffgasablassöffnung 20 und die
Oxidationsgasablassöffnung 21 an
beiden Seiten in der Querrichtung der Separatoren 4 und 5 (d.h.
die durch den Pfeil P angezeigte Richtung) angeordnet, wobei sie die
Kühlmediumablassöffnung 22 sandwichartig
zwischen sich aufnehmen. Die Brennstoffgasablassöffnung 20 und die
Oxidationsgasablassöffnung 21 sind an
bezüglich
der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und der
Oxidationsgaszufuhröffnung 18 diagonal
entgegengesetzt gelegenen Abschniten angeordnet.
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Die
Längen
(wie durch den Pfeil R angezeigt ist) der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und
-ablassöffnung 20 und
die Längen
der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 und
-ablassöffnung 21 in
den Längsrichtungen
der Separatoren 4 und 5 (die durch den Pfeil Q
angezeigte Richtung) sind kürzer
ausgeführt
als die Längen
(wie durch den Pfeil S angezeigt ist) der benachbarten Kühlmediumzufuhröffnung 19 und
-ablassöffnung 22.
Als Folge ist die Größe des Raums (wie
durch den Pfeil T angezeigt ist) von der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und
-ablassöffnung 20 sowie
von der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 und
-ablassöffnung 21 zu
den geriffelten Abschnitten 4a und 5a größer ausgeführt als
die Größe des Raums
(wie durch den Pfeil U angezeigt ist) von der Kühlmediumzufuhröffnung 19 und
-ablassöffnung
22 zu den geriffelten Abschnitten 4a und 5a.
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Wie
in 3 gezeigt ist, sind zwischen der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und
dem geriffelten Abschnitt 4a und zwischen dem geriffelten
Abschnitt 4a und der Brennstoffgasablassöffnung 20 auf
einer Fläche
des einen Separators 4 Brennstoffgasverbindungswege 23 ausgebildet,
welche jeweils gestatten, dass von der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 zugeführtes Brennstoffgas
zu dem geriffelten Abschnitt 4a hindurchtritt und das durch
den geriffelten Abschnitt 4a hindurchgetretenes Brennstoffgas
aus der Brennstoffgasablassöffnung 20 abgelassen
wird. Die Brennstoffgasverbindungswege 23 sind mit einer Mehrzahl
von Nuten 23a versehen, welche auf einer Fläche eines
Separators und einer flachen Brückenplatte 23b ausgebildet
sind, die über
die Nuten 23a hinweg verläuft. Auf der Vorderfläche des
Separators 4, an welcher die Brückenplatte 23b angeordnet
ist, ist ein konkaver Abschnitt 24 ausgebildet, in welchen die
Brückenplatte 23b eingepasst
ist. Dieser konkave Abschnitt 24 versetzt die Fläche der
Brückenplatte 23b in
die Lage, in der gleichen ebenen Fläche angeordnet zu werden wie
die Fläche 4b des
Separators 4.
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Wie
in 4 gezeigt ist, sind in der gleichen Art und Weise
wie für
den Separator 4 Oxidationsgasverbindungswege 25,
welche durch eine Mehrzahl von Nuten 25a und eine Brückenplatte 25b gebildet
sind, ebenso zwischen der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 und dem
geriffelten Abschnitt 5a und zwischen dem geriffelten Abschnitt 5a und
der Oxidationsgasablassöffnung 21 auf
einer Fläche
des Separators 5 vorgesehen.
-
Wie
in 5A und 5B gezeigt
ist, sind auf den anderen Seiten der zwei Separatoren 4 und 5 ein
Kühlmediumverbindungsweg 26,
welcher die Kühlmediumzufuhröffnung 19 mit
den geriffelten Abschnitten 4a und 5a verbindet,
sowie ein Kühlmediumverbindungsweg 26 vorgesehen,
welcher die geriffelten Abschnitte 4a und 5a mit
der Kühlmediumablassöffnung 22 verbindet.
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Wie
in 5A gezeigt ist, sind darüber hinaus konvexe Abschnitte 30 in
einem Separator 5 vorgesehen, während, wie in 5B gezeigt
ist, konkave Abschnitte 32, welche die konvexen Abschnitte 30 aufnehmen,
in dem anderen Separator 4 vorgesehen sind. Diese sind
unten ausführlich
beschrieben..
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Wie
in 6 gezeigt ist, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7 integral
in einer Konfiguration ausgebildet, welche eine Mehrzahl von Unterschlaufenabschnitten 6b und 7b aufweist,
die jede der Zufuhröffnungen 17 bis 19 und
Ablassöffnungen 20 und 22 einkreisen,
und zwar auf beiden Seiten von Hauptschlaufenabschnitten 6a und 7a,
welche die Außenumfangsbereiche
der geriffelten Abschnitte 4a und 5a einkreisen.
-
7 bis 9 zeigen
jeweils einen Zustand, in welchem diese Dichtungselemente 6 und 7 an
einer Fläche
des einen Separators 4, an einer Fläche der Elektrodenanordnung 3 und
an einer Fläche des
anderen Separators 5 angeordnet sind.
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Wie
in 7 bis 9 zu sehen ist, sind die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 7a der
Gasdichtungselemente 6 und 7 derart angeordnet,
dass sie entlang der ebenen Abschnitte 4b und 5b zwischen den
jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und
Ablassöffnungen 20 bis 22 und
den geriffelten Abschnitten 4a und 5b verlaufen.
Als Folge treten die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 7a über die
Oberseite der Brückenplatten 23b und 25b,
welche in den Verbindungswegen 23 und 25 vorgesehen
sind, und die jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und
Ablassöffnungen 20 bis 22 sind
lediglich durch die Nuten 23a und 25a, welche
die Verbindungswege 23 und 25 bilden, mit den
geriffelten Abschnitten 4a und 5a verbunden. Die übrigen Abschnitte
sind in einem fluiddichten Zustand abgedichtet.
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Wie
in 12A und 12B gezeigt
ist, sind eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2, welche
in dieser Art und Weise ausgebildet sind, gestapelt, wobei Kühlflächendichtungselemente 27 zwischen
jeder Brennstoffzelleneinheit 2 angeordnet sind. Wie in 10 gezeigt
ist, weist jedes Kühlflächendichtungselement 27 eine
Struktur auf, bei welcher ein Hauptschlaufenabschnitt 27a integral
mit Unterschlaufenabschnitten 27b verbunden ist.
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Ein
Zustand, bei welchem ein Kühlflächendichtungselement 27,
so wie es ist, an den anderen Flächenseiten
eines jeden der Separatoren 4 und 5 angeordnet
ist, ist in 11 gezeigt.
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Wie
in 11 gezeigt ist, verläuft der Hauptschlaufenabschnitt 27a des
Kühlflächendichtungselements 27 zwischen
den Zufuhröffnungen 17 und 18 des
Brennstoffgases und Oxidationsgases und den geriffelten Abschnitten 4a und 5a und
ebenso zwischen den Ablassöffnungen 20 und 21 und
den geriffelten Abschnitten 4a und 5a und dichtet
den Randbereich eines Kühlmediumverbindungswegs 28 ab, welcher
die Kühlmediumzufuhröffnung 19 mit
den geriffelten Abschnitten 4a und 5a über den
Verbindungsweg 26 verbindet und die geriffelten Abschnitte 4a und 5a mit
der Kühlmediumablassöffnung 22 über den
Verbindungsweg 26 verbindet. Darüber hinaus dichten die Unterschleifenabschnitte 27b des
Kühlflächendichtungsabschnitts 27 unabhängig jede
der Brennstoffgas- und Oxidationsgaszufuhröffnungen 17 und 18 und
-ablassöffnungen 20 und 21 ab.
Es ist anzumerken, dass in 11 der
konvexe Abschnitt 30 und der konkave Abschnitt 32,
welche unten ausführlich
beschrieben sind (siehe 5A und 5B) aus
Gründen
der Deutlichkeit aus den Zeichnungen weggelassen sind.
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Wenn
die Abschnitte des Hauptschlaufenabschnitts 27a des Kühlflächendichtungselements 27, welche
zwischen den Zufuhröffnungen 17 und 18 des Brennstoffgases
und des Oxidationsgases und den geriffelten Abschnitten 4a und 5a und
ebenso zwischen den Ablassöffnungen 20 und 21 und
den geriffelten Abschnitten 4a und 5a verlaufen,
mit den Positionen ver glichen werden, bei welchen die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 7a des
oben beschriebenen Gasdichtungselements entlang verlaufen (wie durch
die gestrichelte Linie gezeigt ist), dann ist zu sehen, dass diese
Abschnitte des Hauptschlaufenabschnitts 27a an von den
Hauptschlaufenabschnitten 6a und 7a unterschiedlichen
Positionen angeordnet sind, um an Positionen vorbei zu verlaufen,
welche näher
an den Zufuhröffnungen 17 und 18 und
an den Ablassöffnungen 20 und 21 liegen.
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Querschnitte
jeweiliger Abschnitte einer Brennstoffzelle 1, welche in
dieser Art und Weise aufgebaut ist, sind in 12A und 12B gezeigt. 12A ist
eine Längs-Querschnittsansicht,
wobei der Querschnitt entlang der Linie A-A in 9 genommen
ist. 14 ist eine Längs-Querschnittsansicht
entlang der Linie E-E in 9. 12 zeigt
einen Weg, welcher Oxidationsgas gestattet, von der Oxidationsgaszufuhröffnung 18,
die jeden der Separatoren 4 und 5 in der Dickenrichtung
derselben durchdringt, über
den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu dem zwischen der
Kathodenelektrode 12 und dem Separator 5 gebildeten
Oxidationsgasdurchgang zu strömen.
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Wie
in 12A zu sehen ist, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7,
welche die Fläche
zwischen der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 und dem
Paar von Separatoren 4 und 5, die auf beiden Seiten
derselben angeordnet sind, abdichten, derart angeordnet, dass sie
die Elektrolytmembran 10 sandwichartig in der Dickenrichtung
derselben bei einer Position zwischen sich aufnehmen, welche der Stapelrichtung
der Brennstoffzelleneinheit 2 entgegengesetzt ist. Der
Hauptschlaufenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 des
Oxidationsgases 9 ist auf einer Brückenplatte 25b angeordnet,
welche genau über
den im Separator 5 ausgebildeten Oxidationsgasverbindungsweg 25 hinweg
verläuft.
Dies bedeutet, der Oxidationsgasverbindungsweg 25 verläuft um den
Hauptschlaufenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 in
der Dickenrichtung des Separators 5 herum und verbindet
den Innenbereich des Hauptschlaufenabschnitts 7a des Gas dichtungselements 7 mit
dessen Außenbereich.
Oxidationsgas, welches von der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 auf
der Außenseite
des Hauptschlaufenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 zugeführt wird,
kann in den Oxidationsgasdurchgang 9 auf der Innenseite des
Hauptschlaufenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 einströmen.
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In
diesem Falle ist das Kühlflächendichtungselement 7,
welches jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den
Kühlmediumverbindungsweg 28 abgrenzt,
an einer Position angeordnet, welche näher an der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 liegt
als der Oxidationsgasverbindungsweg 25, bei welchem das
Gasdichtungselement 7 vorgesehen ist. Als Folge kann das
Kühlflächendichtungselement 27 an
einer Position angeordnet sein, wo es in der Dickenrichtung des
Separators 4 die den Oxidationsgasverbindungsweg 25 bildenden
Nuten 25a überlappt,
welche durch Ausschnitzen einer Fläche des Separators 5 in
dessen Dickenrichtung gebildet sein.
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Wie
in 12A und 14 gezeigt
ist, ist der konvexe Abschnitt 30 über einer Fläche vorgesehen,
welche dem Oxidationsgasverbindungsweg 25 entspricht, der
in dem einen Separator 5 vorgesehen ist. Als Folge hat
die Dicke der Nuten 25a des relevanten konvexen Abschnitts 30 die
Dicke, welche erforderlich ist, um den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu
bilden. Der konkave Abschnitt 25, welcher den konvexen
Abschnitt 30 aufnimmt, ist in dem anderen Separator 4 vorgesehen
und der konvexe Abschnitt 30 ist in dem konkaven Abschnitt 32 aufgenommen. Da
der konvexe Abschnitt 30 an dem einen Separator 5 in
dem konkaven Abschnitt 32 in dem anderen Separator 4 auf
diese Art und Weise aufgenommen ist, kann die Dicke, welche erforderlich
ist, um den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu bilden, durch
den einen Separator 5 und den anderen Separator 4 zusammengenommen
gewährleistet
werden. Da die Separatoren 4 und 5 einzeln nicht
eine ausreichende Dicke aufweisen müssen, um den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu
bilden, wie es herkömmlicherweise
der Fall ist, ist es dementsprechend möglich, die in den beiden Separatoren 4 und 5 benötigte Dicke um
den entsprechenden Betrag zu reduzieren. Es ist daher möglich, die
Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 2 zu verringern.
Es wird angemerkt, dass der konkave Abschnitt 32 größer ausgeführt ist
als die ebene Abmessung des konvexen Abschnitts 30, was
die Positionierung vereinfacht, wenn der konvexe Abschnitt 30 in
dem konkaven Abschnitt 32 aufgenommen ist.
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Die
obige Beschreibung gilt für
die Oxidationsgaszufuhröffnung 18,
die gleiche Beschreibung gilt ebenso im Falle der Oxidationsgasablassöffnung 21.
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12B ist eine Längs-Querschnittsansicht, wobei
der Querschnitt entlang der Linie B-B in 9 genommen
ist. 12B zeigt einen Weg, welcher Brennstoffgas
gestattet, von der Brennstoffgaszufuhröffnung 17, welche
jeden der Separatoren 6 und 7 in deren Dickenrichtung
durchdringt, über
den Brennstoffgasverbindungsweg 23 zu dem zwischen der
Anodenelektrode 11 und dem Separator 4 ausgebildeten
Brennstoffgasdurchgang 8 zu strömen.
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Wie
ebenso in 12B zu sehen ist, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7,
welche die Fläche zwischen
der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 und dem Paar von
Separatoren 4 und 5, die auf beiden Seiten derselben
angeordnet sind, derart angeordnet, dass sie die Elektrolytmembran 10 in
der Dickenrichtung derselben an einer Position, welche der Stapelrichtung
der Brennstoffzelleneinheit 2 gegenüberliegt, sandwichartig zwischen
sich aufnehmen. Der Hauptschlaufenabschnitt 6a des Gasdichtungselements 6 des
Brennstoffgasdurchgangs 8 ist an einer Position angeordnet,
welche näher
bei der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 als
der in dem Separator 4 ausgebildete Brennstoffgasverbindungsweg 23 liegt. Dies
bedeutet, der Brennstoffgasverbindungsweg 23 führt um den
Hauptschlaufenabschnitt 6a des Gasdichtungselements 6 in
der Dickenrichtung des Separators 4 herum und verbindet
den Innenbereich des Hauptschlaufenabschnitts 6a des Gasdich tungselements 6 mit
dessen Außenbereich.
Brennstoffgas, welches in der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 auf der
Außenseite
des Hauptschlaufenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 zugeführt wird,
kann dadurch in den Brennstoffdurchgang 8 auf der Innenseite
des Hauptschlaufenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 hineintreten.
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Es
ist anzumerken, dass es, anders als beim Separator 5, welcher
den Oxidationsgasverbindungsweg 25 bildet, möglich ist,
den Brennstoffgasverbindungsweg 23 ohne Vorsehen eines
konvexen Abschnitts zu bilden, da der Separator 4 eine
ausreichende Dicke aufweist, um den Brennstoffgasverbindungsweg 23 zu
bilden. Da keine Notwendigkeit besteht, ebenso einen konkaven Abschnitt
in dem Separator 5 bereitzustellen, welcher zu dem konvexen Abschnitt
passt, wie in 12A und 12B dargestellt
ist, ist es dementsprechend möglich,
dass die Dicke des Separators 5 auf das Minimum verringert wird.
Unter Verwendung einer solchen Struktur, verglichen damit, wenn
der konvexe Abschnitt 30 und der konkave Abschnitt 32,
welcher diesen aufnimmt, sowohl im Separator 4 als auch
im Separator 5 vorgesehen sind, muss die kombinierte Dicke
sowohl des Separators 4 als auch des Separators 5 nicht
geändert
werden. Der Herstellungsprozess ist vereinfacht. Es ist anzumerken,
dass bei der vorliegenden Ausführungsform
der konvexe Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 5 vorgesehen
ist, welcher den Oxidationsgasverbindungsweg 25 bildet
und der konkave Abschnitt 32, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt,
lediglich in dem Separator 4 vorgesehen ist. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und es ist ebenso möglich, den
konvexen Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 4 vorzusehen und
den konkaven Abschnitt 32, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt,
lediglich in dem Separator 5 vorzusehen, oder sowohl einen
konvexen Abschnitt 30 als auch einen konkaven Abschnitt 32,
welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt, in sowohl dem
Separator 4 als auch dem Separator 5 vorzusehen.
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In
diesem Falle ist das Kühlflächendichtungselement 27,
welches jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den
Kühlmediumverbindungsweg 28 abgrenzt,
an einer Position angeordnet, welche näher an der Seite der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 liegt
als der Brennstoffgasverbindungsweg 23, bei welchem die
Gasdichtungselemente 6 und 7 vorgesehen sind.
Als Folge kann das Kühlflächendichtungselement 27 an
einer Position angeordnet sein, an welcher es in der Dickenrichtung
des Separators 4 die den Brennstoffgasverbindungsweg 23 bildenden
Nuten 23a überlappt,
welche durch Ausschnitzen einer Fläche des Separators 4 in
dessen Dickenrichtung gebildet sind.
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Die
obige Beschreibung gilt ebenso in dem Falle der Brennstoffgasablassöffnung 20.
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Dementsprechend
ist es möglich,
die durch das Kühlflächendichtungselement 27 eingenommene
Höhe, welche
von dem Kühlflächendichtungselement 27 benötigt wird,
um eine ausreichende Dichtleistung bereitzustellen, in großem Maße zu verringern,
während
gleichzeitig die Dicke der Separatoren 4 und 5 an
den Positionen beibehalten wird, an welchen die Verbindungswege 23 und 25 ausgebildet sind.
Da die zur Bildung der Verbindungswege 23 und 25 benötigte Dicke
durch die zwei Separatoren 4 und 5 gewährleistet
sein kann, und da keine Notwendigkeit besteht, dass beide Separatoren 4 und 5 jeweils
die Dicke aufweisen müssen,
welche zur Bildung der Verbindungswege 23 und 25 erforderlich
ist, ist es darüber
hinaus möglich,
die Dicken, welche von den jeweiligen Separatoren 4 und 5 benötigt werden, um
den entsprechenden Betrag zu verringern. Folglich kann die Höhe der Brennstoffzelle 1 deutlich
verringert werden.
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13A und 13B sind
Längs-Querschnittsansichten
entlang der Linien C-C bzw. D-D in 9. Diese
Zeichnungen zeigen einen Kühlmediumweg,
welcher die Kühlmediumzufuhröffnung 19 mit
dem Kühlmediumverbindungsweg 28 verbindet, der
durch benachbarte Brennstoffzelleneinheiten abgegrenzt ist, und
zeigen ebenso den Brennstoffgasdurchgang 8, den Oxidationsgasdurchgang 9 und den
Kühlmediumverbindungsweg 28,
welche durch die geriffelten Abschnitte 4a und 5a abgegrenzt
sind.
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Als
Nächstes
zeigen 15A und 15B die
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten entsprechend 12A bzw. 12B der
ersten Ausführungsform.
Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform
die gleichen Bezugszeichen an passenden Stellen an Bauteilelemente
vergeben sind, welche jenen der ersten Ausführungsform entsprechen. Eine
Beschreibung derselben ist hier weggelassen. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich darin, dass ein Kühlmediumverbindungsweg 28 für alle zwei
Brennstoffzelleneinheiten 2 ausgebildet ist und eine Kühlung an
jeder zweiten Zelle (d.h. jeder zweiten Brennstoffzelleneinheit) durchgeführt wird.
Die Brennstoffzelle 1 der vorliegenden Erfindung ist mit
einem Separator 33 versehen, bei welchem der Kühlmediumkommunikationsweg 28 nicht
ausgebildet ist. Der Separator 33 weist eine ausreichende
Dicke auf, um die Bildung der Verbindungswege 23 und 25 zu
gestatten. In der gleichen Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform
wird in dieser Ausführungsform
ebenso die Wirkung erhalten, die Dicke der Separatoren 4 und 5 verringern
zu können.
Zusätzlich
wird die Wirkung erreicht, dass es möglich ist, die Elemente, welche
zur Kühlung
verwendet werden, wie etwa das Kühlflächendichtungselement 27,
um den gleichen Betrag wie die Abnahme in den Stellen zu verringern,
bei welchem der Kühlmediumverbindungsweg 28 gebildet
ist. Dies erlaubt eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses.
Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform
eine Kühlung
für jede zweite
Zelle durchgeführt
wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und
die Brennstoffzelle kann ebenso derart aufgebaut sein, dass eine
Kühlung
für jede
dritte Brennstoffzelleneinheit 2 oder darüber hinaus
ausgeführt
wird.
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16A und 16B zeigen
die dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten,
welche 12A bzw. 12B der
ersten Ausführungsform
entsprechen. Bei dieser Ausführungsform
ist die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 unter Verwendung
lediglich des einen Dichtungselements 6 abgedichtet. Das
Dichtungselement 6 ist mit einem Hauptschlaufenabschnitt 6a versehen,
welcher sich in Kontakt mit dem Umfangsrandabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran 10 befindet,
und ist mit einem Hauptschlaufenabschnitt 6c versehen,
welcher an einem Außenumfang
des Hauptschlaufenabschnitts 6a gelegen ist. Die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 ist
durch die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 6c doppelt
abgedichtet. Daher wird zusätzlich
zu den für
die erste Ausführungsform
beschriebenen Wirkungen die Wirkung erhalten, dass man in der Lage
ist, Gasleckagen aus der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 nach draußen mit
noch größerer Zuverlässigkeit
verhindern kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der konvexe
Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 4 vorgesehen,
welcher den Brennstoffgasverbindungsweg 23 bildet und der
konkave Abschnitt 32, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt,
ist lediglich in dem Separator 5 vorgesehen. Jedoch ist
die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt und es ist ebenso
möglich,
den konvexen Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 5 vorzusehen
und den konkaven Abschnitt 32, welcher den konkaven Abschnitt 30 aufnimmt,
lediglich in dem Separator 4 vorzusehen, oder sowohl einen
konvexen Abschnitt 30 als einen konkaven Abschnitt 32,
welcher den konkaven Abschnitt 30 aufnimmt, in sowohl dem
Separator 4 als auch dem Separator 5 vorzusehen.
Darüber
hinaus kann das Abdichten der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 unter
Verwendung lediglich eines Doppeldichtungselements 7 auf
der anderen Seite erreicht werden. Darüber hinaus ist die vorliegende
Erfindung nicht auf eine doppelt-dichtende Struktur begrenzt und
eine mehrfach-dichtende Struktur, welche durch drei oder mehr Dichtungen
gebildet ist, kann verwendet werden.
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Darüber hinaus
kann auch eine Kombination der mehrfach-dichtenden Struktur der
vorliegenden Erfindung mit der Struktur verwendet werden, bei welcher
eine Kühlung
für Gruppen
bestehend aus einer Mehrzahl von Zellen der obigen Ausführungsform durchgeführt wird.
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17A und 17B zeigen
die vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten entsprechend 12A bzw. 12B der
ersten Ausführungsform. Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich dadurch, dass die Kathodenelektrode 12 genauso
groß wie
die Festpolymerelektrolytmembran 10 ausgebildet ist, welche
größer als
die Anodenelektrode 11 ist. Bei dieser Ausführungsform
wird zusätzlich
zu den durch die erste Ausführungsform
bereitgestellten Wirkungen die Wirkung erhalten, dass es möglich ist,
die Festigkeit in der Dickenrichtung der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 durch
Verstärken
der Festpolymerelektrolytmembran 10 mit der Kathodenmembran 12 zu
erhöhen.
Es wird angemerkt, dass es ebenso möglich ist, die Anodenelektrode 11 größer als
die Kathodenelektrode 12 auszuführen, und weiter die Struktur
in der Art und Weise zu ändern,
wie sie in den obigen Ausführungsformen
beschrieben ist.
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18A und 18B und 19A und 19B zeigen
die fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten entsprechend 12A bzw. 12B und 13A bzw. 13B der
ersten Ausführungsform. Bei
dieser Ausführungsform
sind der Separator 4 und der Separator 5 mit geriffelten
Abschnitten 4a und 5a, Zufuhröffnungen 17 bis 19,
Ablassöffnungen 20 bis 22 und
ebenen Abschnitten 4b und 5b, wie in 1 gezeigt
ist, durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl
mit einer Plattendicke von ca. 0,2 bis 0,5 mm versehen. In der gleichen
Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform ist in der Brennstoffzelle 1 der
vorliegenden Ausführungsform das
Kühlflächendichtungselement 27,
welches jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den
Kühlmediumverbindungsweg 28 begrenzt,
bei einer Position angeordnet, welche näher an den jeweiligen Zufuhröffnungen 18 als
die Verbindungswege 23 und 25 liegt, bei denen
der Hauptschleifenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 vorgesehen
ist. Als Folge kann das Kühlflächendichtungselement 27 an
einer Position angeordnet werden, bei welcher es in der Dickenrichtung
die Nuten 23a und 25a der Oxidationsgasverbindungswege 23 und 25 überlappt,
welche gebildet sind durch Verbinden von Flächen von sowohl dem Separator 4 als
auch dem Separator 5 miteinander. Es ist daher möglich, die
Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 2 um den Betrag
dieses Überlappungsabschnitts
zu verringern. Darüber
hinaus ist ein konvexer Abschnitt 30 an dem Separator 4 vorgesehen,
welcher sich über
einen Bereich erstreckt, der dem Gasverbindungsweg 23 entspricht, und
es ist ein konkaver Abschnitt 32, welcher den konvexen
Abschnitt 30 aufnimmt, in dem Separator 5 vorgesehen,
wodurch die zur Bildung des Brennstoffgasverbindungswegs 23 notwendige
Dicke bereitgestellt wird. Dementsprechend ist es in der gleichen Art
und Weise wie bei der ersten Ausführungsform möglich, die
Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 2 zu verringern
und die Höhe
der Brennstoffzelle 1 in großem Maße zu verringern, selbst wenn
die Separatoren 4 und 5 durch Pressumformen eines
Metallwerkstoffs gebildet sind.
-
Als
Nächstes
zeigen 20A und 20B die
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und diese sind Längs-Querschnittsansichten, welche 12A bzw. 12B der
ersten Ausführungsform
entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind
in der gleichen Weise wie bei der fünften Ausführungsform der Separator 4 und
der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a,
Zufuhröffnungen 17 bis 19,
Ablassöffnungen 20 bis 22 und
ebenen Abschnitten 4b und 5b versehen, wie in 1 gezeigt ist,
und zwar durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl.
Zusätzlich
ist bei der vorliegenden Ausführungsform
in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausführungsform ein Kühlmediumverbindungsweg 28 für jede zweite
Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildet und eine Kühlung wird
an jeder zweiten Zelle (d.h. jeder zweiten Brennstoffzelleneinheit)
durch geführt,
wodurch die gleichen Wirkungen wie bei der zweiten Ausführungsform
bereitgestellt werden.
-
Als
Nächstes
zeigen 21A und 21B die
siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und diese sind Längs-Querschnittsansichten, welche 12A bzw. 12B der
ersten Ausführungsform
entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind
in der gleichen Weise wie bei der fünften Ausführungsform der Separator 4 und
der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a,
Zufuhröffnungen 17 bis 19,
Ablassöffnungen 20 bis 22 und
ebenen Abschnitten 4b und 5b, wie in 1 gezeigt
ist, durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl
versehen. Zusätzlich
wird bei der vorliegenden Ausführungsform
in gleicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform das Dichten der
Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 3 lediglich durch das Dichtungselement 6 durchgeführt. Es
wird eine Doppeldichtung verwendet, wodurch die gleichen Wirkungen
wie bei der dritten Ausführungsform
bereitgestellt werden.
-
Als
Nächstes
zeigen 22A und 22B die
achte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und diese sind Längs-Querschnittsansichten, welche 12A und 12B der
ersten Ausführungsform
entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind
in der gleichen Weise wie bei der fünften Ausführungsform der Separator 4 und
der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a,
Zufuhröffnungen 17 bis 19,
Ablassöffnungen 20 bis 22 und
ebenen Abschnitten 4b und 5b, wie in 1 gezeigt
ist, durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl
versehen. Zusätzlich
ist bei der vorliegenden Ausführungsform
in der gleichen Art und Weise wie bei der vierten Ausführungsform
die Kathodenelektrode 12 genauso groß ausgebildet wie die Festpolymerelektrolytmembran 10,
welche größer ist
als die Anodenelektrode 11, wodurch die gleichen Wirkungen
wie bei der vierten Ausführungsform
bereitgestellt werden.
-
Mögliche industrielle Anwendungen
-
Wie
aus der obigen Beschreibung deutlich wird, stellt die vorliegende
Erfindung die folgenden Wirkungen bereit.
- (1)
Bei der Brennstoffzelle gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die zur Bildung eines
Reaktionsgasverbindungswegs notwendige Dicke durch einen Separator
und den anderen Separator gemeinsam sichergestellt sein. Da es nicht
notwendig ist, die zur Bildung eines Reaktionsgasverbindungswegs
notwendige Dicke in jedem der beiden Separatoren sicherzustellen,
ist es möglich,
die notwendige Dicke jedes Separators um den entsprechenden Betrag
zu verringern, und die Dicke einer jeden Brennstoffzelle zu verringern.
Als Folge wird die Wirkung erhalten, dass es möglich ist, die Dicke einer
Brennstoffzelle, welche durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten
gebildet ist, in großem
Maße zu
verringern.
- (2) Bei der Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung kann, da es möglich ist, die Position eines
Verbindungswegs mit der Position eines Kühlflächendichtungselements in der
Dickenrichtung der Brennstoffzelleneinheit zu überlappen, die Dicke der Brennstoffzelleneinheit
um die Größe des Überlappungsabschnitts
dünner
ausgeführt
sein. Als Folge wird die Wirkung erhalten, dass es möglich ist,
die Dicke einer Brennstoffzelle, welche durch Stapeln einer Mehrzahl
von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, in großem Maße zu verringern.
- (3) Bei der Brennstoffzelle gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung ist in der Nähe des Verbindungswegs das vorstehend
genannte Kühlflächendichtungselement
von einem Verbindungsweg weg verschoben, während in den verbleibenden
Bereichen das Kühlflächendichtungselement
in einer Reihe in der Dickenrichtung mit einem Gasdichtungselement
ausgerichtet ist. Als Folge ist es möglich, die Größe einer
Brennstoffzelle in der Dickenrichtung derselben in großem Maße zu reduzieren,
während
jede Zunahme des Flächeninhalts
der Brennstoffzelle unterdrückt
wird.
-
Es
ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche sowohl in ihrer Größe als auch
in ihrem Gewicht reduziert ist, während ein abgedichteter Zustand
jeweiliger Verbindungswege durch jeweilige Dichtungselemente zwischen
Separatoren und einer Elektrodenanordnung gewährleistet ist. Bei dieser Brennstoffzelle
sind in jedem Separator (4, 5) Verbindungsöffnungen
(18) für
Reaktionsgase und Kühlmedium
vorgesehen, welche an einer Außenseite
von Gasdichtungselementen (6, 7) vorgesehen sind,
und sind Verbindungswege (25) vorgesehen, welche um die
Gasdichtungselemente (6, 7) in der Dickenrichtung
der Separatoren (4, 5) herumführen und die Reaktionsgasverbindungsöffnungen
(18) mit Gasverbindungswegen (8, 9) verbinden.
Ein Kühlflächendichtungselement
(27), welches den Kühlmediumverbindungsweg
von den Reaktionsgasverbindungslöchern
(18) abdichtet, ist an einer Position angeordnet, die von
den Verbindungswegen (25) zu den Verbindungslöchern (18)
hin verschoben ist. Ein konvexer Abschnitt (30) ist zwischen
dem Reaktionsgasverbindungsweg (9) und den Verbindungsöffnungen (18)
eines Separators (5) vorgesehen, während ein konkaver Abschnitt
(32), welcher den konvexen Abschnitt (30) aufnimmt,
in dem anderen Separator (4) vorgesehen ist.