Beschreibung der verwandten Technik
Unter Brennstoffzelleneinheiten, die Brennstoffzellenstacks bilden, gibt es einen
plattenförmigen Typ, der hergestellt wird, indem zwischen einem
Separatorenpaar eine Membranelektrodenanordnung aufgenommen wird, zu deren Bildung
eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode jeweils auf einer Seite einer
Feststoff-Polymer-Elektrolytmembrane angeordnet werden. Eine Brennstoffzelle
wird gebildet, indem eine Mehrzahl von auf diese Weise gebildeten
Brennstoffzelleneinheiten in Dickenrichtung der Brennstoffzelleneinheiten gestapelt
werden.
In jeder Brennstoffzelleneinheit sind ein Durchflusskanal für Brennstoffgas (z. B.
Wasserstoff) an einer Oberfläche des anodenseitigen, der Anodenelektrode
zugewandt positionierten Separators und ein Durchflusskanal für Oxidationsgas
(z. B. sauerstoffhaltige Luft) an einer Oberfläche des kathodenseitigen, der
Kathodenseite zugewandt positionierten Separators vorgesehen. Außerdem
befindet sich ein Durchflusskanal für ein Kühlmittel (z. B. reines Wasser) zwischen
benachbarten Separatoren benachbarter Brennstoffzelleneinheiten.
Wenn Brennstoffgas zur Elektrodenreaktionsfläche der Anodenelektrode
geleitet wird, wird Wasserstoff dort ionisiert und bewegt sich über die
Feststoff-Polymer-Elektrolytmembrane zur Kathodenelektrode. Während dieses Prozesses
gebildete Elektronen werden in einen externen Kreis extrahiert und als
elektrische Gleichstromenergie genutzt. Weil Oxidationsgas zur Kathodenelektrode
geleitet wird, reagieren Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff, um
Wasser zu bilden. Da bei der Bildung von Wasser an der Elektrodenreaktionsfläche
Wärme erzeugt wird, kühlt man die Elektrodenreaktionsfläche durch ein
Kühlmedium, das man zwischen den Separatoren strömen läßt.
Das Brennstoffgas, das Oxidationsgas (unter dem Oberbegriff Reaktionsgas
bekannt) und das Kühlmedium müssen jeweils durch separate
Durchflusskanäle strömen. Deshalb ist die Technologie der Abdichtung, die jeden
Durchflusskanal in einem fluiddichten oder luftddichten Zustand hält, wesentlich.
Abzudichtende Bereiche sind zum Beispiel: die Randbereiche von
hindurchgreifenden Zufuhröffnungen, die für die Zufuhr und Verteilung von Reaktionsgas
und Kühlmittel in jeder Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffzelle vorgesehen
sind; die Randbereiche von Auslassöffnungen, die aus jeder
Brennstoffzelleneinheit abgeführtes Reaktionsgas und Kühlmittel auffangen und ableiten; und
die Außenrandbereiche zwischen Separatoren benachbarter
Brennstoffzelleneinheiten. Für das Dichtungselement wird ein Material verwendet, das weich
und dennoch angemessen elastisch ist, wie zum Beispiel organischer Gummi.
In den letzten Jahren jedoch haben sich die Verringerung von Größe und
Gewicht sowie die Senkung der Kosten für Brennstoffzellen als die wesentlichen
Barrieren für den Fortschritt hin zu einer Verbreitung von Brennstoffzellen durch
deren praktische Anwendung in Fahrzeugen erwiesen.
Verfahren, die man für die Verkleinerung von Brennstoffzellen in Erwägung
gezogen hat, sind unter anderem die Verschlankung jeder der die Brennstoffzelle
bildenden Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere die Verkleinerung des
Raums zwischen den Separatoren unter Beibehaltung einer maximalen Größe
für den Reaktionsgas-Durchflusskanal, der im Inneren einer jeden
Brennstoffzelleneinheit gebildet ist; und auch die Ausbildung der Separatoren mit einer
geringeren Dicke.
Durch die Anforderungen an die Festigkeit eines jeden Separators und an die
Steifigkeit der Brennstoffzelle gibt es ein Grenze dahingehend, wie dünn die
Separatoren gemacht werden können. Eine Verringerung der Höhe des
Dichtungselements ist wirksam für die Reduzierung der Größe des Abstands
zwischen den Separatoren, jedoch muss die Höhe des Dichtungselements
ausreichen, damit das Dichtungselement ausreichend niedergedrückt werden kann,
um sicherzustellen, dass die erforderliche Dichtungswirkung erreicht wird.
Deshalb gibt es auch eine Grenze für das Ausmaß der Höhenreduzierung der
Dichtungselemente.
Hinzu kommt, dass der von den Dichtungselementen in einer
Brennstoffzelleneinheit belegte Raum, wenngleich er wegen des Einschlusses des
Reaktionsgases und des Kühlmediums unverzichtbar ist, im Grunde nichts zur
Energieerzeugung beiträgt, so dass er möglichst klein gestaltet werden muss.
Fig. 24 ist eine Draufsicht auf einen konventionellen Brennstoffzellenstack. Die
Bezugsziffer 70 in Fig. 24 bezeichnet eine Kommunikationsöffnung wie
beispielsweise eine Brennstoffgaszufuhröffnung und -auslassöffnung, eine
Oxidationsgaszufuhröffnung und -auslassöffnung und eine Kühlmittelzufuhröffnung
und -auslassöffnung, die jeweils den Brennstoffzellenstack in der Richtung
durchgreifen, in der Separatoren 71 gestapelt sind. Die Bezugsziffer 72
bezeichnet einen Bereich, in dem eine Mehrzahl von
Brennstoffgas-Durchflusskanälen, Oxidationsgas-Durchflusskanälen und Kühlmittel-Durchflusskanälen, die
entlang der Separatoren 71 verlaufen, gebildet sind.
Fig. 25 ist eine Längsschnittansicht eines konventionellen
Brennstoffzellenstack 73 entlang der Linie X-X in Fig. 24. Wie in der Draufsicht zu sehen ist,
werden die Außenabmessungen in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstack 73
auf ein Minimum beschränkt, um den von dem Dichtungselement belegten
Bereich, der nicht zur Energieerzeugung beiträgt, möglichst klein zu gestalten,
indem üblicherweise Gasdichtungselemente 76 und 77, die jeweils einen
Brennstoffgas-Durchflusskanal 74 und einen Oxidationsgas-Durchflusskanal 75
abdichten, zusammen mit einem Kühlflächendichtungselement 78, das einen
Kühlmittel-Durchflusskanal abdichtet, in Stapelrichtung der
Brennstoffzelleneinheiten 79 in einer Reihe ausgerichtet sind.
Der Nachteil bei dem auf diese Weise gebauten Brennstoffzellenstack 73 ist
jedoch, dass, wenn die Gasdichtungselemente 76 und 77, die die
Durchflusskanäle 74 und 75 abdichten, sowie das die Kühlfläche abdichtende
Dichtungselement 78 in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 79 in einer Reihe
angeordnet sind, die Dicke des Brennstoffzellenstack 73 nicht geringer bemessen
werden kann als ein Wert, der durch Addieren der Höhe des
Kühlflächendichtungselements 78 zur Dicke jeder Brennstoffzelleneinheit 79 und Multiplizieren
dieses Ergebnisses mit der Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die in dem
Brennstoffzellenstack gestapelt sind, ergibt.
Um dies genauer zu erläutern, führt die Diskussion zurück zu Fig. 25.
Gemäß Fig. 25 sind die Brennstoffgas-Zufuhröffnung 70 und der
Brennstoffgas-Durchflusskanal 74, die in einem abgedichteten Zustand durch die
Gasdichtungselemente 76 und 77 isoliert sind, durch einen Kommunikationsweg 80
verbunden. Der Kommunikationsweg 80 ist in dem Separator 81 in der Nähe
der Brennstoffgas-Zufuhröffnung 70 in der Weise vorgesehen, dass er das die
gesamte Peripherie des Brennstoffgas-Durchflusskanals 74 abdichtende
Gasdichtungselement 77 in Dickenrichtung des Separators 81 umgeht. Darüber
hinaus hat der Separator 82 einen ähnlichen Kommunikationsweg (nicht
dargestellt) in der Nähe der Oxidationsgas-Zufuhröffnung (nicht dargestellt).
Demzufolge ist jeder der Separatoren 81 und 82 relativ dick ausgebildet, um
den Kommunikationsweg 80 zu bilden; wie jedoch in dem Querschnitt in Fig.
25 zu erkennen ist, verfügen die Separatoren 81 und 82 an der Position der
Dichtungslinie, wo jedes der Dichtungselemente 76 bis 78 angeordnet ist, über
die für die Sicherstellung der notwendigen Festigkeit erforderliche minimale
Dicke, und es nicht möglich sie noch dünner auszubilden.
Da jedes der Dichtungselemente 76 bis 78 außerdem mit der für die
Sicherstellung der Dichtwirkung minimal notwendigen Höhe bemessen ist, kann die
Höhe der Dichtungselemente 76 bis 78 nicht mehr weiter reduziert werden.
Deshalb ist es äußerst schwierig, eine weitere Reduzierung der Dicke zu
erreichen, wenngleich sich Dicke des Brennstoffzellenstack 73 durch Multiplizieren
der Anzahl von Stacks mit der Summe aus der minimalen Dicke der beiden
Separatoren 81 und 82, der für die Bildung des Kommunikationsweges 80
notwendigen Dicke, der Höhe der beiden Gasdichtungselemente 76 und 77, der
Dicke der Feststoff-Polymer-Elektrolytmembrane 83 und der Höhe des
Kühlflächendichtungselements 78 ergibt.
Als Gegenmaßnahme wird für die Reduzierung der Gesamtdicke eines solchen
Brennstoffzellenstack 73 vorgeschlagen, die Gasdichtungselemente 76 und 77
und das Kühlflächendichtungselement 78 in Stapelrichtung gesehen versetzt
zueinander anzuordnen. Demzufolge ist es möglich, die Abmessung in der
Stapelrichtung des Brennstoffzellenstack 73 erheblich zu reduzieren, indem die für
die Sicherstellung der Dichtungswirkung benötigte Höhe des
Kühlflächendichtungselements 78 reduziert wird, während andererseits die Dicke der Bereiche
der Separatoren 81 und 82, in denen die Kommunikationswege gebildet
werden, gewährleistet wird.
Wenn man die Gasdichtungselemente 76 und 77 und das
Kühlflächendichtungselement 78 versetzt zueinander anordnet, sind die Dichtungsabschnitte
einer jeden Brennstoffzelleneinheit in der Stapelrichtung jedoch nicht in einer
Reihe ausgerichtet. Das Ergebnis ist, dass der auf die Gasdichtungselemente
76 und 77 und auf das Kühlflächendichtungselement 78, die zueinander
versetzt angeordnet sind, jeweils ausgeübte Dichtungsdruck verringert wird.
Infolgedessen kann die Reaktionskraft, die im Zuge der Abdichtung der
Brennstoffzelleneinheiten in der Stapelrichtung durch das dabei zusammengedrückte
Kühlflächendichtungselement erzeugt wird, die Separatoren deformieren, was
zu einer Verschlechterung der Dichtwirkung der Dichtungselemente führen
kann und dazu, dass Reaktionsgas und Kühlmittel über den Bereichen der
Gasdichtungselemente 76 und 77 und des Kühlflächendichtungselemente 78
rund um die deformierten Bereiche der Separatoren entweichen. Weil die
Separatoren 81 und 82, um ihre Stabilität zu gewährleisten, ausreichend dick sein
müssen, kann man den Brennstoffzellenstack 73 nicht mehr weiter verkleinern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben geschilderten Umstände
erdacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle zu
schaffen, die durch eine Reduzierung ihrer Dicke leichter und kleiner ausgebildet ist,
während die jeweiligen Durchflusskanäle unter Verwendung der jeweiligen
Dichtungselemente zwischen den Separatoren und den
Membranelektrodenanordnungen, die die Brennstoffzelle bilden, dennoch zuverlässig abgedichtet
werden.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der
vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle mit Brennstoffzelleneinheiten
bereitgestellt, die gestapelt sind und zwischen sich wenigstens einen Kühlmittel-
Durchflusskanal aufweisen, der durch ein Kühlflächendichtungselement
abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit umfasst:
- - eine Elektrodenanordnung, die durch Anordnen einer Elektrode auf jeder
Seite eines Elektrolyts gebildet wird;
- - Separatoren, die die Elektrodenanordnung in Richtung ihrer Dicke
zwischen sich aufnehmen; und
- - Gasdichtungselemente, die an einem äußeren Umfangsbereich der
Elektrodenanordnung vorgesehen sind und die jeweiligen Reaktionsgas-
Durchflusskanäle abdichten, die zwischen jedem Separator und der
Elektrodenanordnung gebildet sind und durch die Separatoren und die
Elektrodenanordnung begrenzt sind, wobei in jedem der Separatoren
Reaktionsgas-Kommunikationsöffnungen und
Kühlmittel-Kommunikationsöffnungen, die jeden der Separatoren in Richtung seiner Dicke
durchgreifen, und Kommunikationswege vorgesehen sind, die in
Dickenrichtung der Separatoren um die Gasdichtungselement herumführen und
die Reaktionsgas-Kommunikationsöffnungen mit den Reaktionsgas-
Durchflusskanälen verbinden; und wobei die Bereiche der Separatoren,
in denen die Gasdichtungselemente und das
Kühlflächendichtungselement in Stapelrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet sind,
durch Stützelemente gestützt sind.
Da bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die Steifigkeit der
Separatorbereiche, in denen die Gasdichtungselemente und das
Kühlflächendichtungselement zueinander versetzt angeordnet sind, gewährleistet ist, kann ein
ausreichend hoher Dichtungsdruck auf die Gasdichtungselemente und das
Kühlflächendichtungselemente ausgeübt werden, die zueinander versetzt angeordnet
sind.
Ein für die Stützelemente bevorzugtes Material hängt von deren Position ab,
und für die Stützelemente, die zwischen Separatoren angeordnet sind,
zwischen denen die Elektrodenanordnung vorgesehen ist, wird vorzugsweise ein
elektrisches Isoliermaterial wie Gummi oder Harz bevorzugt. Wenn die
Stützelemente dagegen an der Kühlfläche der Separatoren vorgesehen sind, werden
als Material für die Stützelemente ein korrosionsbeständiges leitendes Material
wie rostfreier Stahl oder Kohlenstoff oder ein elektrisches Isoliermaterial wie
Gummi oder Harz bevorzugt. Sind die Stützelemente zwischen der
Elektrodenanordnung und den Separatoren angeordnet, wird vorzugsweise auch eines der
oben genannten korrosionsbeständigen leitenden Materialien verwendet. Eine
Brennstoffzelle, bei welcher die vorliegende Erfindung Anwendung findet, kann
einem Feststoffpolymer-Typ, Feststoffelektrolyt-Typ, Alkali-Typ, Phosphorsäure-
Typ oder Schmelzkarbonat-Typ entsprechen.
Bei der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung können die
Kommunikationswege in einer Brennstoffzelleneinheit und die korrespondierenden
Kommunikationswege in der in Stapelrichtung benachbarten
Brennstoffzelleneinheit in Stapelrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet sein, und
vorzugsweise kann zumindest ein Bereich eines jeden Stützelements einen
Bereich desjenigen Separators, an dem die Kommunikationswege ausgebildet
sind, stützen.
Da die jeweilige Festigkeit der Bereiche der Separatoren, in denen die
Kommunikationswege zueinander versetzt angeordnet sind, erhöht wird, kann
demzufolge die Dicke der Separatorbereiche verringert werden, und die
Separatorbereiche können in Stapelrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet
werden.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann jedes der über den
Reaktionsgas-Durchflusskanälen oder dem Kühlmittel-Durchflusskanal angeordneten
Stützelemente mit Kommunikationsausnehmungen versehen sein, die
Reaktionsgase oder Kühlmittel hindurchströmen lassen.
Dementsprechend können die Reaktionsgase oder das Kühlmittel durch die
Kommunikationsausnehmungen zugeführt werden, und die Steifigkeit
derjenigen Bereiche der Separatoren, in denen die Stützelemente vorgesehen sind,.
kann erhöht werden.
FIGURENKURZBESCHREIBUNG
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer
Brennstoffzelleneinheit, die den Brennstoffzellenstack bildet, gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein
Gasdichtungselement und Stützelemente an einem die in
Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildenden Separator
vorgesehen sind.
Fig. 3 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein
Gasdichtungselement und Stützelemente an einem weiteren
die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildenden
Separator vorgesehen sind.
Fig. 4 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein
Kühlflächendichtungselement und Stützelemente an den
Rückflächen der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Separatoren
vorgesehen sind.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung, die die in
Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
Fig. 6A u. 6B sind jeweils eine Draufsicht, ähnlich wie jene in Fig. 2, auf
einen Separator eines Brennstoffzellenstack gemäß einer
dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7A u. 7B sind jeweils eine Draufsicht, ähnlich wie jene in Fig. 3, auf
einen weiteren Separator eines Brennstoffzellenstack gemäß
einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8A u. 8B sind jeweils eine Draufsicht, ähnlich wie jene in Fig. 2, auf
einen Separator eines Brennstoffzellenstack gemäß einer
vierten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9A u. 9B sind jeweils eine Draufsicht, ähnlich wie jene in Fig. 3, auf
einen weiteren Separator eines Brennstoffzellenstack gemäß
einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 10 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein
Kühlflächendichtungselement und Stützelemente an der
Rückfläche der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Separatoren
vorgesehen sind.
Fig. 11 ist eine Längsschnittansicht der in Fig. 1 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten entlang der Linie P-P in Fig. 2.
Fig. 12 ist eine Längsschnittansicht der in Fig. 1 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten entlang der Linie A-A in Fig. 2.
Fig. 13 ist eine Längsschnittansicht der in Fig. 1 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten entlang der Linie B-B in Fig. 3.
Fig. 14 ist eine Längsschnittansicht der in Fig. 1 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten entlang der Linie C-C in Fig. 4.
Fig. 15 ist eine Längsschnittansicht, die in ähnlicher Weise wie Fig.
12 die Brennstoffzelleneinheiten gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 16 ist eine Längsschnittansicht, die in ähnlicher Weise wie Fig.
13 die in Fig. 15 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten
zeigt.
Fig. 17 ist eine Längsschnittansicht, die in ähnlicher Weise wie Fig.
14 die in Fig. 15 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten
zeigt.
Fig. 18 ist eine Längsschnittansicht, die in ähnlicher Weise wie Fig.
12 die Brennstoffzelleneinheiten gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 19 ist eine Längsschnittansicht, die in ähnlicher Weise wie Fig.
13 die in Fig. 18 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten
zeigt.
Fig. 20 ist eine Längsschnittansicht, die in ähnlicher Weise wie Fig.
14 die in Fig. 18 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten
zeigt.
Fig. 21A ist eine Längsschnittansicht der Brennstoffzelleneinheiten
gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung entlang der Linie D-D in Fig. 8A und
Fig. 21 B ist eine Längsschnittansicht der Brennstoffzelleneinheiten
gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung entlang der Linie E-E in Fig. 8B.
Fig. 22A ist eine Längsschnittansicht der in den Fig. 21A und 21 B
gezeigten Brennstoffzelle entlang der Linie F-F in Fig. 9A
und
Fig. 22B ist eine Längsschnittansicht der in den Fig. 21A und 21 B
gezeigten Brennstoffzeile entlang der Linie G-G in Fig. 9B.
Fig. 23 ist eine Längsschnittansicht der in den Fig. 21 gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Linie H-H in Fig. 10.
Fig. 24 ist eine schematische Draufsicht auf eine
Brennstoffzelleneinheit in einer konventionellen
Brennstoffzelle.
Fig. 25 ist eine Längsschnittansicht der Umgebung einer
Kommunikationsöffnung in der in Fig. 24 gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Linie X-X.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Brennstoffzellenstack gemäß verschiedenen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail
beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Brennstoffzelleneinheit, die den
Brennstoffzellenstack gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung bildet. Wie in Fig. 12A gezeigt ist, wird der Brennstoffzellenstack 1A
gemäß dieser Ausführungsform durch das Stapeln einer Mehrzahl von
Brennstoffzelleneinheiten 2A gebildet. Wie Fig. 1 zeigt, wird die
Brennstoffzelleneinheit 2A gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung 3 zwischen einem
Paar von Separatoren 4A und 5A aufgenommen wird. Zwischen der
Membranelektrodenanordnung 3 und jedem der Separatoren 4A und 5A sind jeweils
Gasdichtungselemente 6A und 7A vorgesehen. Fig. 12 zeigt, dass diese
Gasdichtungselemente 6A und 7A einen Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 und
einen Odxidationsgas-Durchflusskanal 8 in der Weise abgrenzen, dass diese
Kanäle auf beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung 3 abgedichtet
werden.
In den Fig. 5 und 12 hat die Membranelektrodenanordnung 3 zum Beispiel
eine Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membrane 10 (nachstehend kurz
Elektrolytmembrane genannt), die aus einem Perfluorsulfonatpolymer gebildet ist, und
eine Anodenelektrode 11 und eine Kathodenelektrode 12, die zwei Flächen der
Elektrolytmembrane 10 zwischen sich aufnehmen.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besitzt die Elektrolytmembrane 10 beispielsweise
eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 10a. Die Elektrolytmembrane 10 ist in
ihrer Größe äquivalent zu den Separatoren 4A und 5A, die nachstehend
beschrieben sind, und jede der Durchgangsöffnungen 10a befindet sich in einer
Position, die mit den jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und
Auslassöffnungen 20 bis 22 der Separatoren 4A und 5A korrespondiert.
Die Anodenelektrode 11 und die Kathodenelektrode 12 werden beispielsweise
gebildet, indem eine Katalysatorschicht aus einer Legierung mit Pt (Platin) als
Hauptbestandteil auf einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht vorgesehen
wird, die als eine aus porösem Kohlenstoffgewebe oder aus porösem
Kohlenstoffpapier gebildete Basis mit der Elektrolytmembrane 10 in Kontakt steht.
Zwei Typen von Separatoren 4A und 5A können als die die
Brennstoffzelleneinheiten 2A bildenden Separatoren 4A und 5A verwendet werden. Wie in den
Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ist jeder der Separatoren 4A und 5A gebildet aus:
gerippten Bereichen 4a und 5a, bestehend aus einer Vielzahl von Vertiefungen
und Erhebungen, die eine feste Höhe aufweisen und nach einem festen Muster
gebildet sind durch Ausnehmen einer Vielzahl von (nicht dargestellten)
Vertiefungen in einer Oberfläche einer aus Kohlenstoff hergestellten flachen Platte;
einer Brennstoffgas-Zufuhröffnung (Kommunikationsöffnung) 17, einer
Oxidationsgas-Zufuhröffnung (Kommunikationsöffnung) 18, einer
Kühlmittel-Zufuhröffnung (Kommunikationsöffnung) 19, einer Brennstoffgas-Auslassöffnung
(Kommunikationsöffnung) 20, einer Oxidationsgas-Auslassöffnung
(Kommunikationsöffnung) 21 und einer Kühlmittel-Auslassöffnung (Kommunikationsöffnung)
22, deren jede die beiden Separatoren 4A und 5A auf solche Weise durchgreift,
dass sowohl die Zufuhr als auch die Ableitung von Brennstoffgas (z. B.
Wasserstoffgas), Oxidationsgas (z. B. sauerstoffhaltige Luft) bzw. einem Kühlmittel (z. B.
reines Wasser) möglich ist, die man durch die gerippten Bereiche 4a und 5a
hindurchströmen lässt; und aus ebenen Bereichen 4b und 5b, die derart
angeordnet sind, dass sie jede der Kommunikationsöffnungen 17 bis 22 und die
gerippten Bereiche 4a und 5a umgeben.
Die Fig. 2 und 3 zeigen, dass sich die Kühlmittel-Kommunikationsöffnung
19 und die Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 22 in transversaler Richtung der
Separatoren 4A und 5A (d. h. in der durch den Pfeil Q in Fig. 2 angegebenen
Richtung) im wesentlichen in der Mitte befinden. Die
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 und die Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18 liegen in
transversaler Richtung auf beiden Seiten der Separatoren 4A und 5A und
nehmen die Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 19 zwischen sich auf. Ferner
befinden sich die Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 und die
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 21 in transversaler Richtung auf beiden Seiten
der Separatoren 4A und 5A und nehmen die Kühlmittel-Kommunikationsöffnung
22 zwischen sich auf. Die Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 und die
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 21 liegen der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 und der Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18 jeweils
diagonal gegenüber.
Die Länge der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 und der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 und die Länge der
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18 und der Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 21 in
Längsrichtung der Separatoren 4A und 5A (die durch den Pfeil R in Fig. 2
angegebene Richtung) ist jeweils kürzer bemessen als die Länge der benachbarten
Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 19 und Kühlmittel-Kommunikationsöffnung
22. Als Ergebnis ist die Größe des Raumes von der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 und der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 und von der
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18 und der
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 21 zu den gerippten Bereichen 4a und 5a größer bemessen als die
Größe des Raumes von der Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 19 und der
Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 22 zu den gerippten Bereichen 4a und 5a.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind zwischen der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 und dem gerippten Bereich 4a und zwischen dem gerippten Bereich 4a
und der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 auf einer Seite des einen
Separators 4A Kommunikationswege 23A gebildet, die jeweils ermöglichen,
dass von der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 zugeführtes
Brennstoffgas den gerippten Bereich 4a passiert und dass Brennstoffgas, das den
gerippten Bereich 4a passiert hat, von der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 abgeleitet wird. Jeder der Kommunikationswege 23A ist mit einer
Mehrzahl von Vertiefungen 23a, die an einer Oberfläche des Separators 4A
gebildet sind, und einer flachen Brückenplatte 23b versehen, die sich direkt
über die Vertiefungen 23a erstreckt. An der Vorderfläche des Separators 4A, ist
dort, wo die Brückenplatte 23b angeordnet ist, ein konkaver Bereich 23b
gebildet, in den die Brückenplatte 23b eingesetzt ist. Dieser konkave Bereich
ermöglicht die Anordnung der Oberfläche der Brückenplatte 23b in der gleichen
Oberflächenebene wie die Oberfläche 4b des Separatars 4A.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind ebenso wie bei dem Separator 4A durch eine
Mehrzahl von Vertiefungen 25a und eine Brückenplatte 25b gebildete
Kommunikationswege 25A zwischen der Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18
und dem gerippten Bereich 5a und zwischen dem gerippten Bereich 5a und der
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 21 auch an einer Oberfläche des
Separators 5A vorgesehen.
Fig. 4 zeigt, dass auf der anderen Seite der beiden Separatoren 4A und 5A ein
Kommunikationsweg 26, der die Kühlmittelzufuhröffnung 19 mit den gerippten
Bereichen 4a und 5a verbindet, und ein Kommunikationsweg 26, der die
gerippten Bereiche 4a und 5a mit der Kühlmittelzufuhröffnung 22 verbindet,
vorgesehen sind.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, haben die Gasdichtungselemente 6A
und 7A eine integrale Konfiguration mit einer Mehrzahl von
Nebenschleifenbereichen 6b und 7b, die jede der Kommunikationsöffnungen 17 bis 22 auf beiden
Seiten von. Hauptschleifenbereichen 6a und 7a umschließen, die die äußere
Peripherie der gerippten Bereiche 4a und 5a umschließen. Wie in den Fig. 2
und 3 zu erkennen ist, sind die Hauptschleifenbereiche 6a und 7a der
Gasdichtungselemente 6A und 7A in der Weise positioniert, dass sie entlang der
ebenen Bereiche 4b und 5b zwischen den jeweiligen Kommunikationsöffnungen
17 bis 22 und den gerippten Bereichen 4a und 5a verlaufen. Demzufolge führen
die Hauptschleifenbereiche 6a und 7a über die Oberseite der in den
Kommunikationswegen 23A und 25A vorgesehenen Brückenplatten 23b und 25b, und die
jeweiligen Kommunikationsöffnungen 17 bis 22 sind nur durch die Vertiefungen
23a und 25a mit den gerippten Bereichen 4a und 5a verbunden, wodurch die
Kommunikationswege 23 und 25 gebildet werden. Die restlichen Bereiche sind
fluiddicht versiegelt.
Wie Fig. 12 zeigt, sind die auf diese Weise gebildeten
Brennstoffzelleneinheiten 2A jeweils unter Zwischenschaltung von Kühlflächendichtungselementen 27
gestapelt. Fig. 4 zeigt, dass jedes Kühlflächendichtungselement 27 eine
Konstruktion hat, bei der ein Hauptschleifenbereich 27a mit
Nebenschleifenbereichen 27b integral zusammengeschlossen ist. Der Hauptschleifenbereich 27a
des Kühlflächendichtungselements 27 verläuft zwischen den Kommunikations-
Öffnungen 17 und 18 des Brennstoffgases und des Oxidationsgases und den
gerippten Bereichen 4a und 5a und auch zwischen den
Kommunikationsöffnungen 20 und 21 und den gerippten Bereichen 4a und 5a und dichtet die
Peripherie eines Kühlmittel-Durchflusskanals 28 ab, der die
Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 19 über den Kommunikationsweg 26 mit den gerippten Bereichen
4a und 5a verbindet und der die gerippten Bereiche 4a und 5a über den
Kommunikationsweg 26 mit der Kühlmittel-Kommunikationsöffnung 22 verbindet.
Darüber hinaus dichten die Nebenschleifenbereiche 27b des
Kühlflächendichtungsbereichs 27 einzeln jede der Kommunikationsöffnungen 17 und 18 und
der Kommunikationsöffnungen 20 und 21 ab.
Wenn diejenigen Abschnitte des Hauptschleifenbereichs 27a des
Kühlflächendichtungselements 27, die zwischen den Kommunikationsöffnungen 17 und 18
des Brennstoffgases und des Oxidationsgases und den gerippten Bereichen 4a
und 5a und auch zwischen den Kommunikationsöffnungen 20 und 21 und den
gerippten Bereichen 4a und 5a verlaufen, mit den Positionen verglichen
werden, entlang derer die Hauptschleifenbereiche 6a und 7a des oben
beschriebenen Gasdichtungselements 6A und 6B verlaufen, lässt sich erkennen, dass
diese Abschnitte des Hauptschleifenbereichs 27a in Positionen, die sich von
den Hauptschleifenbereichen 6a und 7a unterscheiden, angeordnet sind und an
Positionen vorbei verlaufen, die näher zu den Kommunikationsöffnungen 17
und 18 und den Kommunikationsöffnungen 20 und 21 liegen.
In der vorliegenden Ausführungsform sind Stützelemente 29A bis 29D
vorgesehen, die die Abschnitte der Separatoren 4A und 5A stützen, in denen die
Gasdichtungselemente 6A und 7A und das Kühlflächendichtungselement 27 in
Stapelrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet sind. Das heißt dass, wie
in den Fig. 2 und 3 gezeigt, die Stützelemente 29A und 29B, die über die
Separatoren 4A und 5A das von den Gasdichtungselementen 6A und 7A
versetzt angeordnete Kühlflächendichtungselement 27 abstützen, für die
Gasdichtungselemente 6A und 7A vorgesehen sind. Darüber hinaus sind die
Stützelemente 29C und 29D, wie in Fig. 4 gezeigt, für das
Kühlflächendichtungselement 27 in der von den Gasdichtungselementen 6A und 6B versetzten
Position angeordnet.
Querschnitte der jeweiligen Bereiche eines auf diese Weise gebildeten
Brennstoffzellenstack 1A sind in den Fig. 11 bis 14 gezeigt. Hier ist zu
beachten, dass diese Figuren lediglich den jeweiligen Querschnitt zeigen und
dass die gestrichelten Linien bedeuten, dass der linke Abschnitt und der rechte
Abschnitt eigentlich zu einem Element verbunden sind.
Fig. 12 ist eine entlang der Linie A-A in Fig. 2 geschnittene
Längsschnittansicht. Fig. 12 zeigt einen Weg, der es ermöglicht, dass Brennstoffgas aus der
jeden der Separatoren 4A und 5A in seiner Dickenrichtung durchgreifenden
Kommunikationsöffnung 17 über den Kommunikationsweg 23A in den
Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 strömt, der zwischen der Anodenelektrode 11 und
dem Separator 4A gebildet ist.
In Fig. 12 ist zu sehen, dass die Gasdichtungselemente 6A und 7A, die den
Bereich zwischen der Membranelektrodenanordnung 3 und dem beiderseits der
Membranelektrodenanordnung 3 angeordneten Separatorenpaar 4A und 5A
abdichten, so angeordnet sind, dass sie die Elektrolytmembrane 10 in ihrer
Dickenrichtung in den jeweiligen in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 2A
übereinstimmenden Positionen zwischen sich aufnehmen. Das
Gasdichtungselement 6A für den Brennstoffgas-Durchflusskanal ist auf der Brückenplatte 23b
angeordnet, die sich direkt über den in dem Separator 4A gebildeten
Kommunikationsweg 23A erstreckt. Das heißt der Kommunikationsweg 23A macht in der
Dickenrichtung des Separators 4A einen Umweg um das Gasdichtungselement
6A und verbindet das Innere des Gasdichtungselements 6A mit seinem
Äußeren. Das von der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 an der Außenseite
des Gasdichtungselements 6A zugeführte Brennstoffgas kann in den
Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 an der Innenseite des Gasdichtungselements 6A
strömen.
In diesem Fall ist das Kühlflächendichtungselement 27, das jede der
Brennstoffzelleneinheiten 2A abdichtet und den Kühlmittel-Durchflusskanal 28
abgrenzt, in einer Position angeordnet, die näher an der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 liegt als der Kommunikationsweg 23A. Deshalb können das
Kühlflächendichtungselement 27 und die Vertiefungen 23a, die durch
Ausnehmen einer Oberfläche des Separators 4A in seiner Dickenrichtung hergestellt
werden und den Kommunikationsweg 23A bilden, im wesentlichen in der
gleichen Ebene wie der Separator 4A angeordnet werden.
Darüber hinaus sind die Stützelemente 29A und 29B in den Bereichen der
Separatoren 4A und 5A vorgesehen, in denen die Gasdichtungselemente 6A und
7A und das Kühlflächendichtungselement 27 versetzt zueinander angeordnet
sind. Das Stützelement 29B ist im Querschnitt in Fig. 12 gezeigt. Weil die
Bereiche der Separatoren 4A und 5A, in denen die Gasdichtungselemente 6A und
7A und das Kühlflächendichtungselement 27 versetzt zueinander angeordnet
sind, durch die Stützelemente 29A und 29B gestützt werden, ist deren
Festigkeit ausreichend sichergestellt. Deshalb kann die Dicke der Bereiche der
Separatoren 4A und 5A unter Vermeidung einer Deformation ausreichend reduziert
werden. Da es möglich ist, einen ausreichenden Dichtungsdruck auf das
Kühlflächendichtungselement 27 auszuüben, das von den Gasdichtungselementen
versetzt ist, kann eine ausreichende Dichtwirkung sichergestellt werden, selbst
wenn die Dicke der Bereiche der Separatoren 4A und 5A reduziert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt,
zwei Arten von Stützelementen, d. h. die Stützelemente 29A und 29B, zum
Stützen der Bereiche der Separatoren vorgesehen, in denen das
Kühlflächendichtungselement 27 von den Gasdichtungselementen versetzt ist. Die Details der
Stützelemente 29A und 29B werden mit Bezug auf Fig. 11 erläutert. Fig. 11
ist eine entlang der Linie P-P in Fig. 2 geschnittene Längsschnittansicht der in
Fig. 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten. Das Stützelement 29B, das den
Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 überquerend angeordnet ist, hat darin
gebildete Kommunikationsausnehmungen 30 mit konkavem Querschnitt. Die
Kommunikationsausnehmungen 30 ermöglichen, dass Brennstoffgas aus dem
Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 strömen kann, während andererseits die
Steifigkeit der Bereiche der Separatoren 4A und 5A, in denen die Stützelemente
29B vorgesehen sind, erhöht werden kann. Die Stützelemente 29A sind nicht
mit den Kommunikationsausnehmungen 30 versehen; deshalb kann die
Steifigkeit des Separators noch weiter erhöht werden. Zur Bildung der
Stützelemente 29A und 29B wird elektrisches Isoliermaterial verwendet.
Wenngleich die obige Beschreibung für die
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 gilt, ist sie auch im Fall der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20
zutreffend.
Ferner ist Fig. 13 eine entlang der Linie B-B in Fig. 3 geschnittene
Längsschnittansicht. Fig. 13 zeigt einen Weg, der es ermöglicht, dass Oxidationsgas
aus der jeden der Separatoren 4A und 5A in seiner Dickenrichtung
durchgreifenden Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18 über den
Kommunikationsweg 25A zu dem Oxidationsgas-Durchflusskanal 9 strömt, der zwischen der
Kathodenelektrode 12 und dem Separator 5A gebildet ist.
Wie in Fig. 13 ebenfalls zu sehen ist, sind die Gasdichtungselemente 6A und
7A, die den Bereich zwischen der Membranelektrodenanordnung 3 und dem
auf deren beiden Seiten angeordneten Paar von Separatoren 4A und 5A
abdichten, in der Weise angeordnet, dass sie die Elektrolytmembrane 10 in ihrer
Dickenrichtung in den jeweiligen in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit
2A übereinstimmenden Positionen zwischen sich aufnehmen. Das
Gasdichtungselement 7A ist auf die Brückenplatte 25b gesetzt, die sich direkt über den
in dem Separator 5A gebildeten Kommunikationsweg 25 A erstreckt. Das heißt
der Kommunikationsweg 25A macht einen Umweg um das
Gasdichtungselement 7A in der Dickenrichtung des Separators 5A und verbindet das Innere des
Gasdichtungselements 7A mit seinem Äußeren. Das von der Oxidationsgas-
Kommunikationsöffnung 18 an der Außenseite des Gasdichtungselements 7A
zugeführte Oxidationsgas kann in den Oxidationsgas-Durchflusskanal 9 an der
Innenseite des Gasdichtungselements 7A strömen.
In diesem Fall ist das Kühlflächendichtungselement 27, das die
Brennstoffzelleneinheit 2A abdichtet und den Kühlmittel-Durchflusskanal 28 abgrenzt, in
einer Position angeordnet, die näher als der Kommunikationsweg 25A an der
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 18 liegt. Deshalb können das
Kühlflächendichtungselement 27 und die den Kommunikationsweg 25A bildenden
Vertiefungen 25a, die durch Ausnehmen einer Oberfläche des Separators 5A in
seiner Dickenrichtung hergestellt werden, im wesentlichen in der gleichen
Ebene wie der Separator 5A angeordnet werden. Wie im Falle der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 kann dank der Stützelemente 29A und 29B, die
in den Bereichen der Separatoren 4A und 5A vorhanden sind, in denen die
Gasdichtungselemente 6A und 7A und das Kühlflächendichtungselement 27
zueinander versetzt angeordnet sind, die Dicke dieser Bereiche der
Separatoren unter Vermeidung einer Deformation der Separatoren 4A und 5A und unter
Sicherstellung einer ausreichenden Dichtwirkung in ausreichendem Maße
reduziert werden.
Diese Beschreibung gilt in der gleichen Weise auch im Falle der Oxidationsgas-
Kommunikationsöffnung 21.
Fig. 14 ist eine entlang der Linie C-C in Fig. 4 geschnittene
Längsschnittansicht. Diese Zeichnung zeigt einen Kühlmittelweg, der die
Kühlmittelzufuhröffnung 19 mit dem durch benachbarte Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2A
abgegrenzten Kühlmittel-Durchflusskanal 28 verbindet, sowie den Brennstoffgas-
Durchflusskanal 8, den Oxidationsgas-Durchflusskanal 9 und den Kühlmittel-
Durchflusskanal 28, die durch die gerippten Bereiche 4a und 5a abgegrenzt
sind. Ferner sind, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die Stützelemente 29C und 29D an
den Oberflächen der Separatoren 4A und 4B vorgesehen, die den Kühlmittel-
Durchflusskanal 28 bilden. Diese Stützelemente 29C und 29D stützen die Last,
die durch die Gasdichtungselemente 6A und 7A ausgeübt wird, so dass die
Steifigkeit der Separatoren 4A und 5A erhöht wird. Zudem ist das Stützelement
29D, das den Kühlmittel-Durchflusskanal 28 überquerend angeordnet ist,
ebenso wie das Stützelement 29B mit Kommunikationsausnehmungen 30
versehen. Für die Stützelemente 29C und 29D kann vorzugsweise ein
korrosionsbeständiges leitendes Material wie rostfreier Stahl oder Kohlenstoff verwendet
werden.
Es ist demzufolge möglich, die von dem Kühlflächendichtungselement 27
belegte Höhe, die das Kühlflächendichtungselement 27 für die Bereitstellung einer
ausreichenden Dichtwirkung braucht, deutlich zu reduzieren, während die Dicke
der Separatoren 4A und 5A in den Positionen, in denen die
Kommunikationswege 23A und 25A gebildet sind, beibehalten werden kann. Da außerdem die
Steifigkeit der Bereiche der Separatoren 4A und 4B, in denen die
Gasdichtungselemente 6A und 7A und das Kühlflächendichtungselement 27 zueinander
versetzt angeordnet sind, gewährleistet ist, kann deren Dicke unter Vermeidung
einer Deformation der Separatoren 4A und 5A und unter Sicherstellung einer
ausreichenden Dichtwirkung ausreichend reduziert werden. Deshalb lässt sich
die Größe des Brennstoffzellenstack 1A stark reduzieren.
Als nächstes wird ein weiterer Brennstoffzellenstack 1 B gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig.
15 bis 17 beschrieben.
Der Brennstoffzellenstack 1 B gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet
sich von dem Brennstoffzellenstack 1A gemäß der ersten Ausführungsform
dadurch, dass anstelle der Kohlenstoffseparatoren in der ersten Ausführungsform
die durch Pressformen von dünnen Metallplatten zu gerippten Platten
hergestellten Separatoren 4A und 5A verwendet werden.
Auch bei dem Brennstoffzellenstack 1 B gemäß dieser Ausführungsform wird
der Kommunikationsweg 23A hergestellt, indem der Separator 4A gebogen
wird, um in einer Position, in der die beide Flächen der Elektrolytmembrane 10
zwischen sich aufnehmenden Gasdichtungselemente 6A und 7A vorgesehen
sind, Abstände von den Gasdichtungselementen 6A und 7A zu schaffen, und
das Gasdichtungselement 6A wird durch die Brückenplatte 23b gestützt, die
sich direkt über den Kommunikationsweg 23A erstreckt. Demgemäss macht der
Kommunikationsweg 23A in der Stapelrichtung der Separatoren 4A und 5A
einen Umweg um das Gasdichtungselement 6A und verbindet das Innere des
Gasdichtungselements 6A mit seinem Äußeren.
Darüber hinaus ist das Kühlflächendichtungselement 27 in einer Position
angeordnet, die näher als der Kommunikationsweg 23A zur
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 liegt, wodurch das Kühlflächendichtungselement 27 und der
Kommunikationsweg 23A in Stapelrichtung der Separatoren 4A und 5A
gesehen im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen. Deshalb lässt sich der Spalt
zwischen den einander gegenüberstehenden Separatoren 4A und 5A
reduzieren, mit dem Effekt, dass die Dimension des gesamten Brennstoffzellenstack
1B in der Stapelrichtung reduziert werden kann. Ebenso wie bei der ersten
Ausführungsform kann dank der vorgesehenen Stützelemente 29A bis 29D die
Dicke der Separatoren 5A und 5B unter Vermeidung ihrer Deformation und
unter Sicherstellung einer ausreichenden Dichtwirkung auch bei dieser
Ausführungsform ausreichend reduziert werden. Außerdem ist eine noch weitere
Reduzierung der Größe des Brennstoffzellenstack 1 B möglich, weil metallische
Separatoren dünner ausgebildet werden können als Kohlenstoffseparatoren.
Ein weiterer Brennstoffzellenstack 1C gemäß der dritten Ausführungsform
vorliegender Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 18 bis 20
beschrieben. Hier ist zu beachten, dass die mit der ersten und der zweiten
Ausführungsform gemeinsamen Elemente dieser Ausführungsform die gleichen
Bezugsziffern tragen und nur noch vereinfacht beschrieben werden.
Die Fig. 18 bis 20 zeigen jeweils Längsschnittansichten ähnlich jenen der
Fig. 12 bis 14, in denen die erste Ausführungsform dargestellt ist.
Der Brennstoffzellenstack 1C gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet
sich dadurch von den Brennstoffzellenstacks 1A und 1B der ersten und der
zweiten Ausführungsform, dass nach je zwei Brennstoffzelleneinheiten 2B und
2C ein Brennstoffgas-Durchflusskanal 28 vorgesehen ist, während in der ersten
Ausführungsform ein Brennstoffgas-Durchflusskanal 28 nach jeder
Brennstoffzelleneinheit 2A vorgesehen ist. Das heißt in dem Bereich, in dem der
Kühlmittel-Durchflusskanal 28 gebildet ist, sind zwei Separatoren 4A und 5A einander
zugekehrt angeordnet, und das Kühlflächendichtungselement 27 ist zwischen
den Separatoren in der Weise aufgenommen, dass wie im Falle der in Fig. 17
gezeigten ersten Ausführungsform der Kühlmittel-Durchflusskanal 28 gebildet
wird, während in dem Bereich, in dem der Kühlmittel-Durchflusskanal 28 nicht
gebildet wird, ein einziger Separator 37 verwendet wird, der einem Separator
gleicht, der durch die Integration der Separatoren 4A und 5A in der ersten
Ausführungsform gebildet wird.
Dadurch dass nach je zwei Brennstoffzelleneinheiten 2B und 2C ein Kühlmittel-
Durchflusskanal 28 vorgesehen ist, können aufgrund der geringeren Anzahl von
Kühlflächendichtungselementen 27 die Kosten des Brennstoffzellenstack
gesenkt werden, und weil die Dicke des integrierten Separators 37, in dem der
Kühlmittel-Durchflusskanal 28 nicht gebildet ist, reduziert wird, kann auch die
Dimension in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstack 1C weiter reduziert
werden.
Darüber hinaus sind in dieser Ausführungsform, wie in den Fig. 6A und 6B
gezeigt, der Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23B in der
Brennstoffzelleneinheit 2B und der Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23C in der
Brennstoffzelleneinheit 2C in Stapelrichtung gesehen von der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 zur Membranelektrodenanordnung 3 versetzt zueinander
angeordnet, d. h. der Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23C in der
Brennstoffzelleneinheit 2C ist von der Membranelektrodenanordnung 3 der
Brennstoffzelleneinheit 2B weiter nach außen angeordnet als der
Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23B in der Brennstoffzelleneinheit 2B. Außerdem sind auch in dieser
Ausführungsform, wie in den Fig. 6A und 6B gezeigt, Stützelemente 29E bis
29H vorgesehen, die die jeweiligen Bereiche der Separatoren 4B, 37 und 5C
stützen. Da die Stützelemente 29E und 29F zwischen den Separatoren 4B und
37 oder zwischen den Separatoren 37 und 5C vorgesehen sind, sind die
Stützelemente 29E und 29F aus elektrischem Isoliermaterial hergestellt. Da ferner
die Stützelemente 29G und 29H zwischen dem Separator 4B und der
Membranelektrodenanordnung 3 oder zwischen der Membranelektrodenanordnung 3
und dem Separator 37 angeordnet sind, sind die Stützelemente 29 G und 29H
aus korrosionsbeständigem Material hergestellt. Außerdem sind die
Stützelemente 29F und 29H mit Kommunikationsausnehmungen 30 versehen, die das
Reaktionsgas (das Brennstoffgas oder Oxidationsgas) hindurchströmen lassen.
Die Stützelemente 29E und 29F sind nicht mit Kommunikationsausnehmungen
30 versehen, weshalb die Steifigkeit der Stützelemente 29E und 29F weiter
erhöht werden kann.
Obwohl der Bereich der Brennstoffzelleneinheit 2C, der den Brennstoffgas-
Kommunikationsweg 23C bildet, von der Membranelektrodenanordnung 3 der
Brennstoffzelleneinheit 2B nach außen angeordnet ist, kann dessen Steifigkeit
dank des Stützelements 29F sichergestellt werden. Außerdem kann dank der
vorgesehenen Stützelemente 29E bis 29H die Steifigkeit der Bereiche der
Separatoren 4B, 37 und 5C, in denen die Gasdichtungselemente 6B und 7B und
das Kühlflächendichtungselement 27 versetzt zu einander angeordnet sind, in
ausreichendem Maße sichergestellt werden. Die gleiche Beschreibung gilt im
Falle der Brennstoffgas-Kommunikationswege 23B und 23C, die in der Nähe
der Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 vorgesehen sind.
Wie im Falle der Brennstoffgas-Kommunikationswege 23B und 23C und wie in
den Fig. 7A und 7B dargestellt, sind der
Oxidationsgas-Kommunikationsweg 25B in der Brennstoffzelleneinheit 2B und der
Oxidationsgas-Kommunikationsweg 25C in der Brennstoffzelleneinheit 2C in der Weise angeordnet, dass
sie in Stapelrichtung gesehen von der Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung
18 in Richtung zur Membranelektrodenanordnung 3 versetzt zueinander
angeordnet sind. Deshalb kann der Bereich der Brennstoffzelleneinheit 2C, der den
Oxidationsgas-Kommunikationsweg 23b bildet, von der
Membranelektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2C nach außen angeordnet werden. Wie
Fig. 18 zeigt, lässt sich aufgrund der Stützung des Bereichs der
Brennstoffzelleneinheit 2C durch das Stützelemente 29F dessen Steifigkeit sicherstellen.
Hinzu kommt, dass wie im Falle der Brennstoffgasseite durch die Anordnung
der Stützelemente 29E bis 29H die Steifigkeit der Bereiche der Separatoren 4B,
37 und 5C, in denen die Gasdichtungselemente 6B und 7B und das
Kühlflächendichtungselement 37 versetzt zueinander angeordnet sind, in
ausreichendem Maße sichergestellt wird. Die gleiche Beschreibung gilt auch im Falle der
Oxidationsgas-Kommunikationswege 25B und 25C, die in der Nähe der
Oxidationsgas-Kommunikationsöffnung 20 vorgesehen sind. Wie vorstehend
erläutert, kann bei dem Brennstoffzellenstack 1C gemäß der vorliegenden Erfindung
die Größe des Brennstoffzellenstack 1C weiter reduziert werden, da unter
Beibehaltung der Dichtwirkung eine ausreichende Reduzierung der Dicke der
Separatoren 37, 5C und 4B möglich ist.
Die Fig. 21A und 21 B bis 23 zeigen die vierte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und sind jeweils Längsschnittansichten ähnlich wie die
Fig. 12 bis 14 der ersten Ausführungsform. Wie in den Fig. 21A und 21B bis
23 gezeigt ist, umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 1D dieser Ausführungsform
eine Brennstoffzelleneinheit 2D und eine Brennstoffzelleneinheit 2E. Wie die
Fig. 21A und 21B zeigen, sind der Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23D in
der Brennstoffzelleneinheit 2D und der Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23E
in der Brennstoffzelleneinheit 2E in Stapelrichtung gesehen von der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 17 in Richtung zur Membranelektrodenanordnung
3 und in der diese Richtung kreuzenden Richtung versetzt zueinander
angeordnet.
Da die Brennstoffgas-Kommunikationswege 23D und 23E in den jeweiligen
Brennstoffzelleneinheiten 2D und 2E in der Richtung von der Brennstoffgas-
Kommunikationsöffnung 17 zur Membranelektrodenanordnung 3 und in der
diese Richtung kreuzenden Richtung versetzt zueinander angeordnet sind,
können die Gasdichtungselemente 6E und 7E der Brennstoffzelleneinheit 2E
von dem Bereich der Brennstoffzelleneinheit 2D, in dem der Brennstoffgas-
Kommunikationsweg 23D gebildet ist, versetzt angeordnet werden, d. h. die
Gasdichtungselemente 6E und 7E können von der
Membranelektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2D nach außen angeordnet werden.
Wie des weiteren in den Fig. 8A und 8B dargestellt ist, sind in dieser
Ausführungsform ebenso wie in der dritten Ausführungsform die Stützelemente 29E
bis 29H vorgesehen, die die jeweiligen Bereiche der Separatoren 4D, 4E, 5D
und 5E stützen. Dank der Stützelemente 29E bis 29H kann der Bereich der
Brennstoffzelleneinheit 2E, in dem der Brennstoffgas-Kommunikationsweg 23E
gebildet ist, von der Membranelektrodenanordnung 3 der
Brennstoffzelleneinheit 2D nach außen positioniert werden, während die Steifigkeit des Bereichs
erhalten bleibt. Deshalb lässt sich die Dicke der Brennstoffeinheiten 2D und 2E
reduzieren. Die gleiche Beschreibung gilt auch für den Fall der Brennstoffgas-
Kommunikationswege 23D und 23E, die in der Nähe der
Brennstoffgas-Kommunikationsöffnung 20 vorgesehen sind. Wie weiterhin in den Fig. 22A und
22B gezeigt ist, gilt die gleiche Beschreibung auch für den Fall der
Oxidationsgas-Kommunikationswege 25D der Brennstoffzelleneinheit 2D und für den Fall
der Oxidationsgas-Kommunikationswege 25E der Brennstoffzelleneinheit 2E.
Außerdem sind, wie Fig. 10 zeigt, in dieser Ausführungsform Stützelemente
291 bis 29K an der Oberfläche der Separatoren 4D und 5E dort vorgesehen, wo
das Kühlflächendichtungselement 27 angeordnet ist, um deren Steifigkeit zu
erhöhen. Demzufolge kann die Größe des Brennstoffzellenstack weiter reduziert
werden.
In der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsformen sind die
Stützelemente getrennt von den Separatoren gebildet; sie können jedoch auch
einstückig mit den jeweiligen Separatoren ausgebildet werden. Zum Beispiel können
im Falle eines Kohlenstoffseparators die Stützelemente gebildet werden, indem
der Separator in einem seiner Bereiche dick ausgebildet wird, und die
Kommunikationswege lassen sich herstellen, indem in diesem Bereich konkave und
konvexe Abschnitte geformt werden. Die vorstehenden Ausführungsformen sind
außerdem nur Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist auch auf anderen
Ausführungsformen anwendbar. Zum Beispiel können die Separatoren in der
zweiten und in der dritten Ausführungsform aus Kohlenstoff hergestellt sein,
oder es kann der Kühlmittel-Durchflusskanal nicht in jeder
Brennstoffzelleneinheit, sondern stattdessen in jeder zweiten oder jeder dritten
Brennstoffzelleneinheit gebildet sein.
Wie vorstehend erläutert, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung die Steifigkeit der Bereiche der Separatoren, in denen die
Gasdichtungselemente und das Kühlflächendichtungselement versetzt zueinander
angeordnet sind, sichergestellt. Deshalb kann die Dicke des Separators unter
Vermeidung seiner Deformation in ausreichendem Maße reduziert werden. Es
ist darüber hinaus auch möglich, einen ausreichenden Dichtungsdruck auf die
Gasdichtungselemente und das Kühlflächendichtungselement, die versetzt
zueinander angeordnet sind, auszuüben. Deshalb wird eine ausreichende
Dichtwirkung sogar bei einer verringerten Dicke des Separators sichergestellt. Das
Ergebnis ist, dass die Größe des Brennstoffzellenstack beachtlich reduziert
werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Dicke der
Bereiche der Separatoren, in denen die Kommunikationswege versetzt
zueinander angeordnet sind, reduziert werden, und es können auch die Bereiche der
Separatoren in Stapelrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet
werden. Deshalb lässt sich die Größe des Brennstoffzellenstack weiter reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Reaktionsgase oder
das Kühlmittel durch die in den Stützelementen ausgebildeten
Kommunikationsausnehmungen zugeführt werden, und die Steifigkeit des Bereichs der
Separatoren, in dem die Stützelemente vorgesehen sind, kann erhöht werden.
Deshalb ist eine weitere Reduzierung der Größe des Brennstoffzellenstack
möglich.
Eine kleine und leichte Brennstoffzelle hat Separatoren (4A, 5A) mit
Kommunikationsöffnungen (18) für Reaktionsgase und ein Kühlmedium, die an einer
Außenseite von Gasdichtungselementen (6, 7) in der Weise angeordnet sind, dass
sie jeden der Separatoren durchgreifen, und mit Kommunikationswegen (23A,
25A), die in Dickenrichtung der Separatoren (4, 5) einen Umweg um die
Gasdichtungselemente (6, 7) machen und die
Reaktionsgas-Kommunikationsöffnungen (18, 21) mit Reaktionsgas-Durchflusskanälen (8, 9) verbinden. Ferner
sind Stützelemente (29B) vorgesehen, um Bereiche der Separatoren zu
stützen, in denen die Gasdichtungselemente (6A, 7A) und das
Kühlflächendichtungselement (27) in Stapelrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet
sind.