-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die gebildet
wird, indem man eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten stapelt,
die durch die Aufnahme einer Elektroden-Elektrolyt-Anordnung zwischen
Separatoren gebildet werden.
-
Beschreibung
der verwandten Technik
-
Unter
Brennstoffzelleneinheiten, die Brennstoffzellenstacks bilden, gibt
es einen plattenförmigen
Typ, der hergestellt wird, indem zwischen einem Separatorenpaar
eine Membran-Elektroden-Anordnung 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 luftdichten 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.
-
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 eine 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.
-
24 ist
eine Draufsicht auf einen konventionellen Brennstoffzellenstack.
Die Bezugsziffer 70 in 24 bezeichnet
eine Verbindungsöffnung
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.
-
25 ist
eine Längsschnittansicht
eines konventionellen Brennstoffzellenstacks 73 entlang der
Linie X-X in 24. Wie in der Draufsicht zu
sehen ist, werden die Außenabmessungen
in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstacks 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 sich 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 25.
-
Gemäß 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 Verbindungsweg 80 verbunden. Der Verbindungsweg 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 Verbindungsweg (nicht
dargestellt) in der Nähe
der Oxidationsgas-Zufuhröffnung (nicht
dargestellt).
-
Demzufolge
ist jeder der Separatoren 81 und 82 relativ dick
ausgebildet, um den Verbindungsweg 80 zu bilden; wie jedoch
in dem Querschnitt in 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 Sicher stellung 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
die Dicke des Brennstoffzellenstacks 73 durch Multiplizieren
der Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten mit der Summe aus der minimalen
Dicke der beiden Separatoren 81 und 82, der für die Bildung
des Verbindungsweges 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 Brennstoffzellenstacks 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 Brennstoffzellenstacks 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 Verbindungswege 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 Kühlflächendichtungselements 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.
-
Aus
der
EP 1083616 A2 ,
der
DE 10015360 A1 sowie
der
US 6261710 B1 ist
jeweils eine Brennstoffzelle mit Brennstoffzelleneinheiten bekannt,
die gestapelt sind und zwischen sich zumindest einen Kühlmittel-Durchflusskanal
aufweisen, der durch ein Kühlflächendichtungselement
abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit umfasst: eine
Elektroden-Elektrolyt-Anordnung, die durch Anordnen einer Elektrode
auf jeder Seite eines Elektrolyts gebildet wird; Separatoren, die
die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung in ihrer Dickenrichtung zwischen
sich aufnehmen; und Gasdichtungselemente, die an einem äußeren Randbereich
der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung angeordnet sind und die jeweiligen
Reaktionsgas-Durchflusskanäle,
die zwischen jedem Separator und der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung
gebildet und durch die Separatoren und die Elektroden-Elektrolyt-Anordnung
begrenzt sind, abdichten, wobei in jedem der Separatoren Reaktionsgas-Verbindungsöffnungen
und Kühlmittel-Verbindungsöffnungen,
die jeden der Separatoren in seiner Dickenrichtung durchgreifen,
und Verbindungswege vorgesehen sind.
-
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 Membran-Elektroden-Anordnungen,
die die Brennstoffzelle bilden, dennoch zuverlässig abgedichtet werden.
-
Zur
Lösung
der oben genannten Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Brennstoffzelle mit Brennstoffzelleneinheiten nach Anspruch
1 bereitgestellt.
-
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 Kühlflächendichtungselement
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 Elektroden-Elektrolyt-Anordnung
vorgesehen ist, wird vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material
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
elektrisch isolierendes Material wie Gummi oder Harz bevorzugt.
Sind die Stützelemente
zwischen der Elektroden-Elektrolyt-Anordnung 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 Verbindungswege in einer Brennstoffzelleneinheit und die korrespondierenden Verbindungswege
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 Verbindungswege
ausgebildet sind, stützen.
-
Da
die jeweilige Festigkeit der Bereiche der Separatoren, in denen
die Verbindungswege 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 Reakionsgas-Durchflusskanälen
oder dem Kühlmittel-Durchflusskanal
angeordneten Stützelemente
mit Verbindungsausnehmungen versehen sein, die Reaktionsgase oder
Kühlmittel
hindurchströmen
lassen.
-
Dementsprechend
können
die Reaktionsgase oder das Kühlmittel
durch die Verbindungsausnehmungen zugeführt werden, und die Steifigkeit derjenigen
Bereiche der Separatoren, in denen die Stützelemente vorgesehen sind,
kann erhöht
werden.
-
FIGURENKURZBESCHREIBUNG
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinheit, die
den Brennstoffzellenstack bildet, gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung.
-
2 ist
eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein Gasdichtungselement
und Stützelemente
an einem die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit
bildenden Separator vorgesehen sind.
-
3 ist
eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein Gasdichtungselement
und Stützelemente
an einem weiteren die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit
bildenden Separator vorgesehen sind.
-
4 ist
eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein Kühlflächendichtungselement
und Stützelemente
an den Rückflächen der
in den 2 und 3 gezeigten Separatoren vorgesehen
sind.
-
5 ist
eine Draufsicht auf eine Elektroden-Elektrolyt-Anordnung, die die
in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
-
6A u. 6B sind
jeweils eine Draufsicht, ähnlich
wie jene in 2, auf einen Separator eines
Brennstoffzellenstacks gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
-
7A u. 7B sind
jeweils eine Draufsicht, ähnlich
wie jene in 3, auf einen weiteren Separator
eines Brennstoffzellenstacks gemäß einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
-
8A u. 8B sind
jeweils eine Draufsicht, ähnlich
wie jene in 2, auf einen Separator eines
Brennstoffzellenstacks gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung.
-
9A u. 9B sind
jeweils eine Draufsicht, ähnlich
wie jene in 3, auf einen weiteren Separator
eines Brennstoffzellenstacks gemäß einer vierten
Ausführungsform
der Erfindung.
-
10 ist
eine Draufsicht zur Darstellung eines Zustands, in dem ein Kühlflächendichtungselement
und Stützelemente
an der Rückfläche der
in den 8 und 9 gezeigten
Separatoren vorgesehen sind.
-
11 ist
eine Längsschnittansicht
der in 1 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten entlang
der Linie P-P in 2.
-
12 ist
eine Längsschnittansicht
der in 1 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten entlang
der Linie A-A in 2.
-
13 ist
eine Längsschnittansicht
der in 1 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten entlang
der Linie B-B in 3.
-
14 ist
eine Längsschnittansicht
der in 1 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten entlang
der Linie C-C in 4.
-
15 ist
eine Längsschnittansicht,
die in ähnlicher
Weise wie 12 die Brennstoffzelleneinheiten
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
16 ist
eine Längsschnittansicht,
die in ähnlicher
Weise wie 13 die in 15 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten zeigt.
-
17 ist
eine Längsschnittansicht,
die in ähnlicher
Weise wie 14 die in 15 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten zeigt.
-
18 ist
eine Längsschnittansicht,
die in ähnlicher
Weise wie 12 die Brennstoffzelleneinheiten
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
19 ist
eine Längsschnittansicht,
die in ähnlicher
Weise wie 13 die in 18 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten zeigt.
-
20 ist
eine Längsschnittansicht,
die in ähnlicher
Weise wie 14 die in 18 dargestellten
Brennstoffzelleneinheiten zeigt.
-
21A ist eine Längsschnittansicht
der Brennstoffzelleneinheiten gemäß der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entlang der Linie D-D in 8A und
-
21B ist eine Längsschnittansicht
der Brennstoffzelleneinheiten gemäß der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entlang der Linie E-E in 8B.
-
22A ist eine Längsschnittansicht
der in den 21A und 21B gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Linie F-F in 9A und
-
22B ist eine Längsschnittansicht
der in den 21A und 21B gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Linie G-G in 9B.
-
23 ist
eine Längsschnittansicht
der in den 21A und 21B gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Linie H-H in 10.
-
24 ist
eine schematische Draufsicht auf eine Brennstoffzelleneinheit in
einer konventionellen Brennstoffzelle.
-
25 ist
eine Längsschnittansicht
der Umgebung einer Verbindungsöffnung
in der in 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.
-
1 ist
eine schematische Darstellung der Brennstoffzelleneinheit, die den
Brennstoffzellenstack gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildet. Wie in 12A gezeigt
ist, wird der Brennstoffzellenstack 1A gemäß dieser
Ausführungsform
durch das Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2A gebildet.
Wie 1 zeigt, wird die Brennstoffzelleneinheit 2A gebildet,
indem eine Membran-Elektroden-Anordnung 3 zwischen einem
Paar von Separatoren 4A und 5A aufgenommen wird.
Zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 3 und jedem der
Separatoren 4A und 5A sind jeweils Gasdichtungselemente 6A und 7A vorgesehen. 12 zeigt,
dass diese Gasdichtungselemente 6A und 7A einen
Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 und einen Oxidationsgas-Durchflusskanal 9 in
der Weise abgrenzen, dass diese Kanäle auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung 3 abgedichtet
werden.
-
In
den 5 und 12 hat die Membran-Elektroden-Anordnung 3 zum
Beispiel eine Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membrane 10 (nachstehend kurz
Elektrolytmembrane genannt), die aus einem perfluorierten, sulfonierten
Polymer gebildet ist, und eine Anodenelektrode 11 und eine
Kathodenelektrode 12, die zwei Flächen der Elektrolytmembrane 10 zwischen
sich aufnehmen.
-
Wie
in 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 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 Herstellen einer
Vielzahl von (nicht dargestellten) Vertiefungen in einer Oberfläche einer
aus Kohlenstoff hergestellten flachen Platte; einer Brennstoffgas-Zufuhröffnung (Verbindungsöffnung) 17,
einer Oxidationsgas-Zufuhröffnung
(Verbindungsöffnung) 18,
einer Kühlmittel-Zufuhröffnung (Verbindungsöffnung) 19,
einer Brennstoffgas-Auslassöffnung
(Verbindungsöffnung) 20,
einer Oxidationsgas-Auslassöffnung
(Verbindungsöffnung) 21 und
einer Kühlmittel-Auslassöffnung (Verbindungsöffnung) 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 Verbindungsöffnungen 17 bis 22 und
die gerippten Bereiche 4a und 5a umgeben.
-
Die 2 und 3 zeigen,
dass sich die Kühlmittel-Verbindungsöffnung 19 und
die Kühlmittel-Verbindungsöffnung 22 in
transversaler Richtung der Separatoren 4A und 5A (d.h.
in der durch den Pfeil Q in 2 angegebenen
Richtung) im wesentlichen in der Mitte befinden. Die Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 und
die Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 liegen
in transversaler Richtung auf beiden Seiten der Separatoren 4A und 5A und
nehmen die Kühlmittel-Verbindungsöffnung 19 zwischen sich
auf. Ferner befinden sich die Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 und
die Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 21 in
transversaler Richtung auf beiden Seiten der Separatoren 4A und 5A und
nehmen die Kühlmittel-Verbindungsöffnung 22 zwischen
sich auf. Die Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 und die
Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 21 liegen
der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 und
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 jeweils
diagonal gegenüber.
-
Die
Länge der
Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 und
der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 und
die Länge
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 und
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 21 in
Längsrichtung
der Separatoren 4A und 5A (die durch den Pfeil
R in 2 angegebene Richtung) ist jeweils kürzer bemessen
als die Länge
der benachbarten Kühlmittel-Verbindungsöffnung 19 und
Kühlmittel-Verbindungsöffnung 22.
Als Ergebnis ist die Größe des Raumes
von der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 und der
Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 und
von der Oxidationsgas- Verbindungsöffnung 18 und
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 21 zu
den gerippten Bereichen 4a und 5a größer bemessen
als die Größe des Raumes
von der Kühlmittel-Verbindungsöffnung 19 und
der Kühlmittel-Verbindungsöffnung 22 zu
den gerippten Bereichen 4a und 5a.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, sind zwischen der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 und
dem gerippten Bereich 4a und zwischen dem gerippten Bereich 4a und
der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 auf
einer Seite des einen Separators 4A Verbindungswege 23A gebildet,
die jeweils ermöglichen, dass
von der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 zugeführtes Brennstoffgas
den gerippten Bereich 4a passiert und dass Brennstoffgas,
das den gerippten Bereich 4a passiert hat, von der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 abgeleitet
wird. Jeder der Verbindungswege 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 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
Separators 4A.
-
Wie
in 3 gezeigt ist, sind ebenso wie bei dem Separator 4A durch
eine Mehrzahl von Vertiefungen 25a und eine Brückenplatte 25b gebildete Verbindungswege 25A zwischen
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 und
dem gerippten Bereich 5a und zwischen dem gerippten Bereich 5a und der
Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 21 auch
an einer Oberfläche
des Separators 5A vorgesehen.
-
4 zeigt,
dass auf der anderen Seite der beiden Separatoren 4A und 5A ein
Verbindungsweg 26, der die Kühlmittelzufuhröffnung 19 mit
den gerippten Bereichen 4a und 5a verbindet, und
ein Verbindungsweg 26, der die gerippten Bereiche 4a und 5a mit
der Kühlmittelzufuhröffnung 22 verbindet,
vorgesehen sind.
-
Wie
in den 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 Verbindungsöffnungen 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 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 Verbindungsöffnungen 17 bis 22 und
den gerippten Bereichen 4a und 5a verlaufen. Demzufolge
führen
die Hauptschleifenbereiche 6a und 7a über die
Oberseite der in den Verbindungswegen 23A und 25A vorgesehenen Brückenplatten 23b und 25b,
und die jeweiligen Verbindungsöffnungen 17 bis 22 sind
nur durch die Vertiefungen 23a und 25a mit den
gerippten Bereichen 4a und 5a verbunden, wodurch
die Verbindungswege 23 und 25 gebildet werden.
Die restlichen Bereiche sind fluiddicht versiegelt.
-
Wie 12 zeigt,
sind die auf diese Weise gebildeten Brennstoffzelleneinheiten 2A jeweils
unter Zwischenschaltung von Kühlflächendichtungselementen 27 gestapelt. 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 Verbindungsöffnungen 17 und 18 des
Brennstoffgases und des Oxidationsgases und den gerippten Bereichen 4a und 5a und
auch zwischen den Verbindungsöffnungen 20 und 21 und
den gerippten Bereichen 4a und 5a und dichtet
die Peripherie eines Kühlmittel-Durchflusskanals 28 ab,
der die Kühlmittel-Verbindungsöffnung 19 über den
Verbindungsweg 26 mit den gerippten Bereichen 4a und 5a verbindet
und der die gerippten Bereiche 4a und 5a über den
Verbindungsweg 26 mit der Kühlmittel-Verbindungsöffnung 22 verbindet.
Darüber
hinaus dichten die Nebenschleifenbereiche 27b des Kühlflächendichtungsbereichs 27 einzeln
jede der Verbindungsöffnungen 17 und 18 und
der Verbindungsöffnungen 20 und 21 ab.
-
Wenn
diejenigen Abschnitte des Hauptschleifenbereichs 27a des
Kühlflächendichtungselements 27,
die zwischen den Verbindungsöffnungen 17 und 18 des
Brennstoffgases und des Oxidationsgases und den gerippten Bereichen 4a und 5a und auch
zwischen den Verbindungsöffnungen 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
Verbindungsöffnungen 17 und 18 und
den Verbindungsöffnungen 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 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 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 Brennstoffzellenstacks 1A sind
in den 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.
-
12 ist
eine entlang der Linie A-A in 2 geschnittene
Längsschnittansicht. 12 zeigt
einen Weg, der es ermöglicht,
dass Brennstoffgas aus der jeden der Separatoren 4A und 5A in
seiner Dickenrichtung durchgreifenden Verbindungsöffnung 17 über den
Verbindungsweg 23A in den Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 strömt, der
zwischen der Anodenelektrode 11 und dem Separator 4A gebildet
ist.
-
In 12 ist
zu sehen, dass die Gasdichtungselemente 6A und 7A,
die den Bereich zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 3 und
dem beiderseits der Membran-Elektroden-Anordnung 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 Verbindungsweg 23A erstreckt. Das
heißt
der Verbindungsweg 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-Verbindungsöffnung 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-Verbindungsöffnung 17 liegt
als der Verbindungsweg 23A. Deshalb können das Kühlflächendichtungselement 27 und
die Vertiefungen 23a, die durch Herstellen einer Oberfläche des
Separators 4A in seiner Dickenrichtung hergestellt werden und
den Verbindungsweg 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 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 veretzt angeordnet 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 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 versetz angeordnet ist. Die Details der
Stützelemente 29A und 29B werden
mit Bezug auf 11 erläutert. 11 ist
eine entlang der Linie P-P in 2 geschnittene Längsschnittansicht
der in 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten. Das Stützelement 29B,
das den Brennstoffgas-Durchflusskanal 8 überquerend
angeordnet ist, hat darin gebildete Verbindungsausnehmungen 30 mit
konkavem Querschnitt. Die Verbindungsausnehmungen 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 Verbindungsausnehmungen 30 versehen; deshalb kann
die Steifigkeit des Separators noch weiter erhöht werden. Zur Bildung der
Stützelemente 29A und 29B wird
elektrisch isolierendes Material verwendet.
-
Wenngleich
die obige Beschreibung für
die Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 gilt,
ist sie auch im Fall der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 zutreffend.
-
Ferner
ist 13 eine entlang der Linie B-B in 3 geschnittene
Längsschnittansicht. 13 zeigt
einen Weg, der es ermöglicht,
dass Oxidationsgas aus der jeden der Separatoren 4A und 5A in
seiner Dickenrichtung durchgreifenden Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 über den
Verbindungsweg 25A zu dem Oxidationsgas-Durchflusskanal 9 strömt, der
zwischen der Kathodenelektrode 12 und dem Separator 5A gebildet
ist.
-
Wie
in 13 ebenfalls zu sehen ist, sind die Gasdichtungselemente 6A und 7A,
die den Bereich zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 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 Verbindungsweg 25A erstreckt.
Das heißt der
Verbindungsweg 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-Verbindungsöffnung 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 ei ner Position angeordnet, die näher als der Verbindungsweg 25A an
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 liegt.
Deshalb können
das Kühlflächendichtungselement 27 und
die den Verbindungsweg 25A bildenden Vertiefungen 25a,
die durch 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-Verbindungsöffnung 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-Verbindungsöffnung 21.
-
14 ist
eine entlang der Linie C-C in 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 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
Verbindungsausnehmungen 30 versehen. Für die Stützelemente 29C und 29D kann
vorzugsweise ein korrosions beständiges
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 Verbindungswege 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 Brennstoffzellenstacks 1A stark
reduzieren.
-
Als
nächstes
wird ein weiterer Brennstoffzellenstack 1B gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die 15 bis 17 beschrieben.
-
Der
Brennstoffzellenstack 1B 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 1B gemäß dieser Ausführungsform
wird der Verbindungsweg 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 Verbindungsweg 23A erstreckt. Demgemäss macht
der Verbindungsweg 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 Verbindungsweg 23A zur Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 liegt,
wodurch das Kühlflächendichtungselement 27 und
der Verbindungsweg 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 Brennstoffzellenstacks 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 Brennstoffzellenstacks 1B 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 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 18 bis 20 zeigen
jeweils Längsschnittansichten ähnlich jenen
der 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 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 Brennstoffzellenstacks 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 6A und 6B gezeigt,
der Brennstoffgas-Verbindungsweg 23B in der Brennstoffzelleneinheit 2B und
der Brennstoffgas-Verbindungsweg 23C in der Brennstoffzelleneinheit 2C in Stapelrichtung
gesehen von der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 zur Membran-Elektroden-Anordnung 3 versetzt
zueinander angeordnet, d.h. der Brennstoffgas-Verbindungsweg 23C in
der Brennstoffzelleneinheit 2C ist von der Membran-Elektroden-Anordnung 3 der
Brennstoffzelleneinheit 2B weiter nach außen angeordnet
als der Brennstoffgas-Verbindungsweg 23B in der Brennstoffzelleneinheit 2B.
Außerdem
sind auch in dieser Ausführungsform,
wie in den 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
elektrisch isolierendem Material hergestellt. Da ferner die Stützelemente 29G und 29H zwischen
dem Separator 4B und der Membran-Elektroden-Anordnung 3 oder
zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 3 und dem Separator 37 angeordnet
sind, sind die Stützelemente 29G und 29H aus
korrosionsbeständigem
Material hergestellt. Außerdem
sind die Stützelemente 29F und 29H mit
Verbindungsausnehmungen 30 versehen, die das Reaktionsgas
(das Brennstoffgas oder Oxidationsgas) hindurchströmen lassen.
Die Stützelemente 29E und 29F sind
nicht mit Verbindungsausnehmungen 30 versehen, weshalb
die Steifigkeit der Stützelemente 29E und 29F weiter
erhöht
werden kann.
-
Obwohl
der Bereich der Brennstoffzelleneinheit 2C, der den Brennstoffgas-Verbindungsweg 23C bildet,
von der Membran-Elektroden-Anordnung 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-Verbindungswege 23B und 23C,
die in der Nähe
der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 vorgesehen
sind.
-
Wie
im Falle der Brennstoffgas-Verbindungswege 23B und 23C und
wie in den 7A und 7B dargestellt,
sind der Oxidationsgas-Verbindungsweg 25B in der Brennstoffzelleneinheit 2B und der
Oxidationsgas-Verbindungsweg 25C in der Brennstoffzelleneinheit 2C in
der Weise angeordnet, dass sie in Stapelrichtung gesehen von der
Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 18 in
Richtung zur Membran-Elektroden-Anordnung 3 versetzt zueinander angeordnet
sind. Deshalb kann der Bereich der Brennstoffzelleneinheit 2C,
der den Oxidationsgas-Verbindungsweg bildet, von der Membran-Elektroden-Anordnung 3 der
Brennstoffzelleneinheit 2C nach außen angeordnet werden. Wie 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 27 versetzt
zueinander angeordnet sind, in ausreichendem Maße sichergestellt wird. Die
gleiche Beschreibung gilt auch im Falle der Oxidationsgas-Verbindungswege 25B und 25C,
die in der Nähe
der Oxidationsgas-Verbindungsöffnung 20 vorgesehen
sind. Wie vorstehend erläutert,
kann bei dem Brennstoffzellenstack 1C gemäß der vorliegenden
Erfindung die Größe des Brennstoffzellenstacks 1C weiter
reduziert werden, da unter Beibehaltung der Dichtwirkung eine ausreichende
Reduzierung der Dicke der Separatoren 37, 5C und 4B möglich ist.
-
Die 21A und 21B bis 23 zeigen die
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und sind jeweils Längsschnittansichten ähnlich wie
die 12 bis 14 der
ersten Ausführungsform.
Wie in den 21A und 21B bis 23 gezeigt
ist, umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 1D dieser Ausführungsform
eine Brennstoffzelleneinheit 2D und eine Brennstoffzelleneinheit 2E.
Wie die 21A und 21B zeigen,
sind der Brennstoffgas-Verbindungsweg 23D in der Brennstoffzelleneinheit 2D und
der Brennstoffgas-Verbindungsweg 23E in der Brennstoffzelleneinheit 2E in
Stapelrichtung gesehen von der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 in Richtung
zur Membran-Elektroden-Anordnung 3 und
in der diese Richtung kreuzenden Richtung versetzt zueinander angeordnet.
-
Da
die Brennstoffgas-Verbindungswege 23D und 23E in
den jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten 2D und 2E in
der Richtung von der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 17 zur Membran-Elektroden-Anordnung 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-Verbindungsweg 23D gebildet
ist, versetzt angeordnet werden, d.h. die Gasdichtungselemente 6E und 7E können von
der Membran-Elektroden-Anordnung 3 der
Brennstoffzelleneinheit 2D nach außen angeordnet werden.
-
Wie
des weiteren in den 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-Verbindungsweg 23E gebildet
ist, von der Membran-Elektroden-Anordnung 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-Verbindungswege 23D und 23E,
die in der Nähe
der Brennstoffgas-Verbindungsöffnung 20 vorgesehen
sind. Wie weiterhin in den 22A und 22B gezeigt ist, gilt die gleiche Beschreibung
auch für
den Fall der Oxidationsgas-Verbindungswege 25D der
Brennstoffzelleneinheit 2D und für den Fall der Oxidationsgas-Verbindungswege 25E der
Brennstoffzelleneinheit 2E. Außerdem sind, wie 10 zeigt,
in dieser Ausführungsform
Stützelemente 29I 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
den 6B, 7B, 8A und 9A sind
mit 6C, 7C, 6D und 7D Gasdichtungselemente bezeichnet.
-
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 Verbindungswege 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 Verbindungswege 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 Verbindungsausnehmungen 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 Brennstoffzellenstacks
möglich.
-
Eine
kleine und leichte Brennstoffzelle hat Separatoren (4A, 5A)
mit Verbindungsöffnungen
(18) für
Reaktionsgase und ein Kühlmedium,
die an einer Außenseite
von Gasdichtungselementen (6a, 7A) in der Weise
angeordnet sind, dass sie jeden der Separatoren durchgreifen, und
mit Verbindungswegen (23A, 25A), die in Dickenrichtung
der Separatoren (4, 5) einen Umweg um die Gasdichtungselemente
(6A, 7A) machen und die Reaktionsgas-Verbindungsöffnungen
(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.