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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festpolymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Brennstoffzellen beinhalten eine Festpolymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle, die gebildet wird, indem ein Elektrodenpaar an entgegengesetzten Seiten der Festpolymerelektrolytmembrane vorgesehen wird und dessen Außenseiten zwischen einem Paar von Separatoren aufgenommen werden.
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In dieser Brennstoffzelle ist ein Kanal für Brenngas (z. B. Wasserstoff) an der gesamten Oberfläche eines zur einen Elektrode weisenden Separators vorgesehen, ist ein Kanal für Oxidationsgas (z. B. sauerstoffhaltige Luft) an der gesamten Oberfläche eines zur anderen Elektrode weisenden Separators vorgesehen, und ist ein Kanal für ein Kühlmittel an einer der Separatoroberflächen vorgesehen, die einer zur Elektrode weisenden Oberfläche entgegengesetzt ist.
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Wenn das Brenngas der Reaktionsoberfläche der einen Elektrode zugeführt wird, wird der Wasserstoff ionisiert und bewegt sich durch die Festpolymer-Elektrolytmembrane zur anderen Elektrode hin. Während des Reaktionsprozesses erzeugte Elektronen werden zu einer externen Schaltung abgeführt und werden als elektrische Gleichstromenergie verwendet.
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Da das Oxidationsgas der anderen Elektrode zugeführt wird, reagieren die Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff miteinander, um hierdurch Wasser zu erzeugen.
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Die Oberfläche an der entgegengesetzten Seite der Elektrodenreaktionsebene des Separators wird durch das zwischen den Separatoren fließende Kühlmittel gekühlt.
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Da diese Reaktionsgase und das Kühlmedium in jeweils unabhängigen Kanälen fließen sollten, ist eine Abdichttechnik, die jeden Kanal abtrennt, wichtig.
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Die abzudichtenden Abschnitte umfassen: die Umfänge von Verbindungslöchern, welche den Separator durchdringen, um das Reaktionsgas und das Kühlmedium zu jeder Brennstoffzelleneinheit in dem Brennstoffzellenstapel zu verteilen und zuzuführen, die Außenumfänge einer Membranelektrodenanordnung, die aus der Festpolymer-Elektrolytmembrane und einem an entgegengesetzten Seiten angeordneten Elektrodenpaar gebildet ist, die Außenumfänge einer Kühlmitteldurchtrittsebene des Separators sowie die Außenumfänge der Vorder- und Rückseiten des Separators. Als Abdichtmaterial wird ein elastisches und ausreichend federndes Material, z. B. organischer Gummi, angewendet.
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Falls die Brennstoffzellen in einer großen Anzahl unter Bildung des Brennstoffzellenstapels gestapelt werden, und dieser Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug angebracht wird, könnte ein Fall auftreten, wo Wassertropfen verspritzen und die Brennstoffzelle nass wird, in Abhängigkeit von der Installationsposition, oder Staub in den Spalt zwischen den Separatoren eindringt.
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Jedoch kann das Abdichtmaterial verhindern, dass dieses Wasser und der Staub in den Reaktionsgaskanal oder in den Kühlmittelkanal eindringt.
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Wenn beim Stapeln der Separatoren ein Dickenunterschied zwischen der Membranelektrodenanordnung vorhanden ist, oder wenn in dem Separator eine Biegung oder Verdrehung vorhanden ist (insbesondere bei einem aus Metall gefertigten dünnen Separator), oder wenn die von entgegengesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels ausgeübte Kompressionslast ungleichmäßig ist, werden die Separatoren nicht parallel zueinander gestapelt, und es kommt zu einer Schrägstellung oder Verwerfung. Somit wird der Kompressionsbetrag jedes Dichtmaterials ungleichmäßig, und im Ergebnis wird die Abdichtfähigkeit in dem Dichtungsmaterial, das einen kleinen Kompressionsbetrag hat, schlechter.
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Beim Stapeln der Separatoren ist es ebenfalls schwierig, diese Separatoren genau zu stapeln, ohne ihre Relativpositionen entlang der Elektrodenreaktionsebene zu verschieben.
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Als Maßnahmen gegen die obigen Probleme kann ein Verfahren in Betracht gezogen werden, in dem verhindert wird, dass Fremdstoffe in den Spalt zwischen den Separatoren eindringen, und die Separatoren parallel zueinander gestapelt werden, indem man z. B. am Außenrand des Separators ein aus Harz hergestelltes bilderrahmenförmiges Element vorsieht.
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Hierzu ähnliche Techniken sind z. B. in der
JP 10-074530 A , auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht,
JP 07-249417 A und
JP 61-279069 A offenbart.
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Die
DE 198 21 767 C2 zeigt eine Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembran und beidseitig davon angeordneten Elektroden, welche zwischen einem Separatorpaar angeordnet sind. Am Umfang der durch die Separatoren verlaufenden Axialkanäle sind insbesondere aus Polycarbonat bestehende Stützringe angeordnet.
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Wenn jedoch das Abdichtmaterial oder die Membranelektrodenanordnung in der Stapelrichtung der Separatoren durch Alterung im Lauf der Zeit schrumpft, oder sich die Brennstoffzelle durch Wärmeeinfluss oder dgl. ausdehnt oder kontrahiert, treten die folgenden Probleme auf.
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Wenn z. B. die Überstandshöhe des Abdichtmaterials von dem Separator niedriger wird als die Überstandshöhe des bilderrahmenförmigen Elements, wird ein Schrumpf des Raums zwischen den Separatoren durch das bilderrahmenförmige Element unterbunden. Somit könnte ein Spalt zwischen dem Separator und dem Abdichtmaterial oder der Membranelektrodenanordnung entstehen, wodurch eine Abnahme der Stromerzeugungsleistung entsteht, und demzufolge eine Situation entsteht, wo keine Stromerzeugung möglich ist.
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Wenn sich andererseits der Raum zwischen den Separatoren durch Wärmeeinfluss oder dgl. ausdehnt, wird ein Abdichtmaterial, wie etwa Gummi, in der Stapelrichtung der Separatoren elastisch entspannt und gedehnt, und daher kann dieses Abdichtmaterial der Ausdehnung des Raums zwischen den Separatoren im gewissen Umfang folgen, ohne sich von dem Separator zu trennen. Da jedoch ein aus Harz oder dgl. gefertigtes bilderrahmenförmiges Element sich in der Stapelrichtung der Separatoren nicht dehnt, kann dieses die Ausdehnung des Raums zwischen den Separatoren nicht aufnehmen.
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Daher kommt es zu einem Spalt zwischen den bilderrahmenförmigen Elementen, und dort können Fremdstoffe eindringen.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel zu verhindern, die einen elektrischen Stromfluss durch das Kühlmittel verursacht, und ferner zu verhindern, dass benachbarte Separatoren in dem Reaktionsgaskanal elektrisch kurzgeschlossen werden.
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Da insbesondere im Falle einer Brennstoffzelle, die dünne Metallseparatoren verwendet, der Raum zwischen den Separatoren klein ist, ist es insbesondere erwünscht, spezielle Maßnahmen zu treffen, um zu verhindern, dass zwischen benachbarten Separatoren ein elektrischer Kurzschluss stattfindet, unter Berücksichtigung, dass Fremdstoffe, wie etwa Staub und Kohlenstoffpartikel, in das Reaktionsgas eingemischt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 angegeben.
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In der Festpolymerelektrolytmembran[Folien]-Brennstoffzelle, die ein Paar von Elektroden aufweist, die an beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembrane [Folie] ausgebildet sind, sowie ein Paar von Metallfolienseparatoren, die beide Oberflächen der Membran-Brennstoffzelle abdecken, sind Isolierelemente (z. B. Isolierelemente 201, 211, 221, 231, 241 und 271 in der Ausführung) um Verbindungslöcher herum (z. B. ein einlassseitiges Oxidationsmittelverbindungsloch 41a, ein auslassseitiges Oxidationsmittelgasverbindungsloch 41b, ein einlassseitiges Brenngasverbindungsloch 43b, ein einlassseitiges Brenngasverbindungsloch 42b, ein einlassseitiges Kühlmittelverbindungsloch 43a und ein auslassseitiges Verbindungsloch 43b in der Ausführung), die in den Separatoren ausgebildet sind, vorgesehen.
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Bei der obigen Konstruktion ist es möglich, eine Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel zu verhindern und um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren in dem Reaktionsgaskanal zu verhindern. Da es hierbei möglich ist, die Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel und einen elektrischen Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren wirkungsvoll zu verhindern, kann daher eine exzellente Stromerzeugung noch zuverlässiger beibehalten werden.
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Da die Innenumfangsflächen der Verbindungslöcher durch das Isolierelement abgedeckt sind (z. B. die Isolierelemente 201, 211, 221, 231, 241 und 271 in den Ausführungen), ist es möglich, einen Kurzschluss zwischen den Innenumfangsendflächen der Verbindungslöcher in benachbarten Separatoren zu verhindern. Hierdurch ist die Brennstoffzelle zu einer guten Stromerzeugungsleistung in der Lage.
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Bevorzugt sind jeweilige Räume (z. B. der Raum 203 in der Ausführung) zwischen jeweils zwei Isolierelementen benachbarter Separatoren (z. B. Isolierelement 201 in der Ausführung) in der Stapelrichtung der Separatoren vorgesehen.
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Bei der obigen Konstruktion kann das Vergrößern und Verkleinern der Separatorräume durch den Spalt in der Stapelrichtung der Separatoren absorbiert werden. Da sich die Vergrößerung und Verkleinerung der Räume zwischen Separatoren zu absorbieren lässt, ist es möglich, das Eindringen von Fremdstoffen bei der Vergrößerung des Raums zwischen Separatoren, eine ungenügende Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit und eine Minderung des Dichtflächendrucks zu verhindern.
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Bevorzugt ist jedes Isolierelement (z. B. das Isolierelement 201 in der Ausführung) jeweils benachbarter Separatoren derart ausgeformt, dass benachbarte Separatoren relativ verschiebbar sind, um eine Vergrößerung und Verkleinerung des Raums zwischen den Separatoren zu gestatten, während die Isolierelemente die Räume zwischen den Separatoren abdichten.
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Bei der obigen Konstruktion kann eine Vergrößerung und Verkleinerung der Separatorräume durch relative Verschiebung der jeweiligen Isolierelemente mechanisch absorbiert werden. Da eine Vergrößerung und Verkleinerung der Räume zwischen Separatoren mechanisch absorbiert werden kann, ist es möglich, das Eindringen von Fremdstoffen bei der Vergrößerung des Raums zwischen Separatoren, eine ungenügende Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit und eine Minderung des Dichtflächendrucks wirkungsvoll zu verhindern.
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Bevorzugt sind die Isolierelemente (z. B. das Isolierelement 231 und 241 in den Ausführungen) aus elastischem Material hergestellt.
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Bei der obigen Konstruktion wird die Kontraktion der Separatorräume nicht reguliert, weil das weiche Material in der Lage ist, sich in der Stapelrichtung der Brennstoffzellen elastisch zu kontrahieren, und der Ausdehnung des Separatorraums kann durch die federnde Entspannung des elastischen Materials aufgrund der elastischen Längung des elastischen Materials gefolgt werden. Hierbei kann der Kontraktion der Räume zwischen Separatoren gefolgt werden, weil das elastische Material in der Stapelrichtung der Kondensatoren elastisch kontrahiert werden kann. Da bei der Ausdehnung der Räume zwischen Separatoren sich das elastische Material durch elastische Entspannung längen kann, ist es möglich, das Eindringen von Fremdstoffen während der Vergrößerung des Raums zwischen Separatoren, eine ungenügende Abdichtung mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit und eine Minderung des Dichtflächendrucks wirkungsvoll zu verhindern.
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Bevorzugt ist eines der Isolierelemente von einem der benachbarten Separatoren (z. B. ein flacher Abschnitt 271b des Isolierelements in den Ausführungen) flach geformt, und das Isolierelement (z. B. ein Vorsprungsabschnitt 271a des Isolierelements in den Ausführungen) eines der Isolierelemente eines anderen Separators, der zu dem erstgenannten flachen Isolierelement weist, so ausgebildet, dass es vorsteht.
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Bei der obigen Konstruktion macht es das Vorsehen einer Kombination der Isolierelemente eines Separators in flache und vorstehende Bereiche möglich, die relative Fehlausrichtung des vorstehenden Isolierelements in Bezug auf das flache Isolierelement zu absorbieren. Hierdurch ist es möglich, die relative Fehlausrichtung von einem der Isolierelemente zu dem anderen Isolierelement durch Kombination eines flachen Elements und eines vorstehenden Elements zu absorbieren und hierdurch die Produktivität der Brennstoffzelle zu erhöhen.
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Bevorzugt ist in der Brennstoffzelle, die mit einem Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement versehen ist (z. B. das Umfangsabdichtmaterial 52), eines der Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelemente benachbarter Separatoren (z. B. der flache Abschnitt des Umfangsabdichtmaterials 52b in den Ausführungen) flach ausgeformt, und das andere der Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelemente der gegenüberliegenden benachbarten Separatoren ist so ausgeformt, dass es vorsteht.
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Da bei der obigen Konstruktion die Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelemente in einer Kombination flacher und vorstehender Bereiche ausgebildet sind, kann die relative Fehlausrichtung des vorstehenden Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements entsprechend dem flachen äußeren Reaktionsoberflächenelement absorbiert werden. Hierdurch ist es möglich, die relative Fehlausrichtung von einem der Isolierelemente zu dem anderen Isolierelement durch Kombination eines flachen Elements und eines vorstehenden Elements zu absorbieren, um hierdurch die Produktivität der Brennstoffzelle zu erhöhen.
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Bevorzugt deckt der außenseitige Abschnitt der Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelemente (das Außenumfangsabdichtmaterial 52 in den Ausführungen) von dem Isolierelement (z. B. dem Isolierelement 271 in der Ausführung) vollständig ab.
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Da bei der obigen Konstruktion der freiliegende Metallabschnitt der Separatoren an dem außenseitigen Abschnitt des Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements durch die Isolatoren vollständig abgedeckt ist, ist es möglich, die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren zu verbessern, und ist es möglich, einen elektrischen Kurzschluss benachbarter Separatoren zu verhindern. Da es hierdurch möglich ist, den Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren zu verhindern, wird die gute Stromerzeugungsleistung beibehalten.
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Bevorzugt sind das Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement (z. B. das Umfangsabdichtelement 52 in den Ausführungen) und das Isolierelement (z. B. das Isolierelement 271 in der Ausführung) integral aufgebaut.
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Bei der obigen Konstruktion ist es möglich, das Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement und das Isolierelement integral damit auszubilden. Da es hierbei möglich ist, das Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement und das Isolierelement gleichzeitig integral aufzubauen, können hierdurch die Produktionskosten reduziert werden.
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Bevorzugt sind beide außenseitigen Oberflächen des Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements (z. B. das Außenoberflächenabdichtelement 52 in den Ausführungen) durch das isolierende Außenumfangselement (z. B. das Isolierelement 271 in den Ausführungen), das integral mit dem Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement aufgebaut ist, abgedeckt.
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Da bei der obigen Konstruktion beide Oberflächen der freiliegenden Metalloberflächen des außenseitigen Abschnitts des Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelements mit den Isolierelementen abgedeckt sind, wird die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren verbessert und kann ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren vermieden werden. Hierbei ist es möglich, die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren zu verbessern, und es ist auch möglich, einen Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren wirkungsvoll zu verhindern. Somit ist es möglich, die gute Stromerzeugungsleistung beizubehalten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht, die einen Separator einer Festpolymer-Elektrolytmembran[Folien]-Brennstoffzelle nach einer nicht erfindungsgemäßen ersten Ausführung zeigt.
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2 ist ein Querschnitt, erhalten durch Schneiden eines Brennstoffzellenstapels, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Festpolymerelektrolytmembran[Folien]-Brennstoffzellen gebildet ist, die die Separatoren in 1 aufweisen, an einer Position, die einer Linie A-A in 1 entspricht.
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3A ist ein Querschnitt, der die Haupttteile eines Modifikationsbeispiels der ersten Ausführung zeigt, und 3B ist ein Querschnitt entlang Linie B-B in 3A.
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4 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen Modifikationsbeispiels in der ersten Ausführung zeigt.
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5 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.
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6 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines nicht erfindungsgemäßen Modifikationsbeispiels der zweiten Ausführung zeigt.
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7 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen nicht erfindungsgemäßen Modifikationsbeispiels in der zweiten Ausführung zeigt.
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8 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.
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9 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines nicht erfindungsgemäßen Modifikationsbeispiels der dritten Ausführung zeigt.
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10 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen nicht erfindungsgemäßen Modifikationsbeispiels der dritten Ausführung zeigt.
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11 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer erfindungsgemäßen vierten Ausführung zeigt.
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12 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels der vierten Ausführung zeigt.
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13 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines anderen Modifikationsbeispiels in der vierten Ausführung zeigt.
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14 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer erfindungsgemäßen fünften Ausführung zeigt.
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15 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines Modifikationsbeispiels der fünften Ausführung zeigt.
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16 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile einer nicht erfindungsgemäßen sechsten Ausführung zeigt.
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17 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile eines nicht erfindungsgemäßen Modifikationsbeispiels der sechsten Ausführung zeigt.
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18A ist ein Querschnitt, der Hauptteile des anderen nicht erfindungsgemäßen Modifikationsbeispiels der ersten Ausführung zeigt, und 18B ist ein vergrößerter Querschnitt des Vorsprungsabschnitts 52a des Umfangsabdichtmaterials.
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19A ist ein Querschnitt, der den Hauptabschnitt der fünften Ausführung zeigt, und 19B ist ein vergrößerter Querschnitt des Vorsprungsabschnitts des Umfangsabdichtmaterials.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung, sowie nicht erfindungsgemäße Ausführungen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Draufsicht, die einen Separator 3 zeigt, der eine Festpolymerelektrolytmembran[Folien]-Brennstoffzelle 1 nach einer ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführung darstellt.
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Die Brennstoffzelle 1 ist aufgebaut durch abwechselndes Aufstapeln der Separatoren 3 und einer Membranelektrodenanordnung 5, die durch Aufnehmen [Einklemmen] einer Festpolymerelektrolytmembrane [Folie] 7 durch ein Paar von Elektroden 9 gebildet ist, wie in 2 gezeigt, und ein Brennstoffzellenstapel wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheits-Brennstoffzellen 1 gebildet.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst der Separator 3 einen Wellblechabschnitt 33, in dem eine Mehrzahl konkaver Abschnitte 31, die eine bestimmte Höhe haben, mit einem bestimmten Abstand voneinander durch Pressformung eines rostfreien Stahlblechmaterials, das eine Plattendicke von 0,2 bis 0,5 mm hat, gebildet sind, sowie ein ebener Abschnitt 35, um außerhalb jedes Wellblechabschnitts 33 angeordnete Randabschnitte durch ein Abdichtmaterial gegenseitig zu kontaktieren.
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Dieser Separator 3 ist versehen mit einem einlassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41a für den Durchtritt von Oxidationsgas sowie einem einlassseitigen Brenngasverbindungsloch 42a für den Durchtritt von Brenngas, und zwar an der Oberseite an entgegengesetzten Enden in der horizontalen Richtung, die in dieser Ebene an dem Außenumfangsabschnitt angeordnet sind. Der Separator 3 ist ferner an der Mitte entgegengesetzter Enden in der horizontalen Richtung mit einem einlassseitigen Kühlmittelverbindungsloch 43a für den Durchtritt eines Kühlmediums sowie einem auslassseitigen Kühlmittelverbindungsloch 43b für den Durchtritt des verbrauchten Kühlmittels versehen.
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Ferner sind in dem Separator 3 vorgesehen ein auslassseitiges Oxidationsgasverbindungsloch 41b für den Durchtritt des Oxidationsgases und ein auslassseitiges Brenngasverbindungsloch 42b für den Durchtritt des Brenngases, und zwar an der Unterseite an entgegengesetzten Enden in der horizontalen Richtung, die an dem Außenumfangsabschnitt in dieser Ebene angeordnet sind, sodass diese an diagonal entgegengesetzten Positionen in Bezug auf das einlassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41a bzw. das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a angeordnet sind.
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An einer in 1 gezeigten Kathodenseite in dem Separator 3 fließt das Oxidationsgas von dem einlassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41a hinein und fließt dann in jeden konkaven Abschnitt 31 in dem Wellblechabschnitt 33 hinein, sodass es von einer kurzen Randseite des Separators zu der anderen kurzen Randseite davon geleitet wird, und fließt von dem auslassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41b aus.
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Ähnlich fließt in dem Separator 3 an der Anodenseite (die Draufsicht ist nicht gezeigt) das Brenngas von dem einlassseitigen Brenngasverbindungsloch 42a hinein und fließt dann in jeden konkaven Aschnitt 31 in dem Wellblechabschnitt 33 hinein, sodass es von einer kurzen Randseite des Separators zur anderen kurzen Randseite davon geleitet wird, und fließt aus dem auslassseitigen Brenngasverbindungsloch 42b aus.
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Das oben beschriebene einlassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41a, das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a, das einlassseitige Kühlmittelverbindungsloch 42a, das auslassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41b, das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b und das auslassseitige Kühlmittelverbindungsloch 43b entsprechen jeweils den Verbindungslöchern nach der vorliegenden Erfindung.
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An der Vorderseite und der Rückseite des Separators 3 sind angeordnet ein erstes Abdichtmaterial, das die Außenseite des Wellblechabschnitts 33, das einlasssseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41a, das auslassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41b, das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a und das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b umgibt, sowie ein zweites Abdichtmaterial 53, das die Außenseite des einlassseitigen Kühlmittelverbindungslochs 43a und des auslassseitigen Kühlmittelverbindungslochs 43b umgibt.
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Hier ist der gewellte Abschnitt 33 ein Abschnitt, der der Reaktionsoberfläche des Separators entspricht, und unter den Abdichtmaterialien entspricht das Außenumfangsabdichtmaterial 52, das den dem Außenumfang des Wellabschnitts 33 entsprechenden Abschnitt umgibt, dem Reaktionsoberflächen-Umfangsabdichtelement.
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Anzumerken ist, dass das Abdichtmaterial an Abschnitten, die dem einlassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41a und dem auslassseitigen Oxidationsgasverbindungsloch 41b benachbart sind, für den Einfluss oder Ausfluss des Oxidationsgases entfernt ist. Ähnlich ist auch in der Anodenseite des Separators (in der Draufsicht nicht gezeigt) das Abdichtmaterial an Abschnitten, die dem einlassseitigen Brenngasverbindungsloch 42a und dem auslassseitigen Brenngasverbindungsloch 42b benachbart sind, entfernt.
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Ferner ist ein nicht-leitendes bildrahmenförmiges Element 61, das den Außenumfang und die Außenendfläche des gesamten Umfangs abdeckt, am Außenrandabschnitt des Separators 3 angeordnet.
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Dieses bildrahmenförmige Element 61 ist, wie in 2 gezeigt, aufgebaut aus einem Körperabschnitt 61a mit rechteckigem Querschnitt, der ein hartes Harzmaterial, wie etwa Polyamid oder PTFE, aufweist, sowie einem Vergrößerungs- und Verkleinerungs-Absorptionsabschnitte 61b (nachfolgend als flexibler Absorptionsabschnitt bezeichnet) mit einem trapezförmigen Abschnitt, der ein weicheres Material als der Körperabschnitt 61a aufweist und elastisch ist, z. B. ein Schaummaterial, wie etwa Gummi.
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Eine Grenzebene 61A zwischen dem Körperabschnitt 61a und dem flexiblen Absorptionsabschnitt 61b sowie eine obere Endfläche 61bA des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b sind an einer tieferen Position angeordnet als die oberen Endflächen 51A und 53A der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53, und die Erhebungsdifferenz zwischen der oberen Endfläche 61bA und den oberen Endflächen 51A und 53A ist kleiner festgelegt als eine Kompressionsgrenze der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53.
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Die Kompressionsgrenze bedeutet eine Quetschgrenze beim Quetschen der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 beim Stapeln der Separatoren, sodass ein vorbestimmter Dichtflächendruck auf den Separator 3 einwirkt.
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Wenn ein konkaver Abschnitt 31 in einem Separator 3, der eine Brennstoffzelle 1 darstellt, und ein anderer konkaver Abschnitt 31 in einem Separator 3, der eine andere Brennstoffzelle 1 darstellt, sequenziell zusammengestzt werden, wird ein in der Figur gezeigter Raum mit trapezförmigem Querschnitt, der zwischen dem konkaven Abschnitt 31 des Separators 3 und der Elektrode 9 ausgebildet ist, zu einem Oxidationsgaskanal 71 zum Zirkulieren des Oxidationsgases sowie einem Brenngaskanal 73 zum Zirkulieren des Brenngases. Der in der Figur gezeigte Raum mit sechseckigem Querschnitt, der von den Separatoren 3 umgeben ist, wird zu einem Kühlmittelkanal 75 zum Zirkulieren des Kühlmittels.
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Beim Stapeln der Separatoren werden die ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 durch die Kompressionsgrenze gequetscht, um den Umfang jedes der Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b mit einem vorbestimmten Dichtflächendruck, der auf den Separator 3 wirkt, zuverlässig abzudichten.
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Hierbei wird auch der flexible Absorptionsabschnitt 61b des bilderrahmenförmigen Elements 61, der am Außenrandabschnitt jedes Separators 3 angeordnet ist, durch den Separator 3 unter Druck gesetzt und um eine vorbestimmte Dimension komprimiert, insbesondere um eine Differenz, die erhalten ist durch Subtrahieren der Höhendifferenz zwischen der oberen Endfläche 61bA und den oberen Endflächen 51A und 53A von der Kompressionsgrenze der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53.
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Auch wenn sich daher der Raum zwischen den Separatoren durch den Einfluss von Wärme oder dgl. ausdehnt, wird der flexible Absorptionsabschnitt 61b des bildrahmenförmigen Elements 61 elastisch entspannt und dehnt sich in der Stapelrichtung der Separatoren aus und folgt dem Körperabschnitt 61a der anderen bildrahmenförmigen Elemente 61, die in der Lage sind, sich von dem flexiblen Absorptionsabschnitt 61b zu trennen.
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Auch wenn daher der Raum zwischen den Separatoren größer wird, werden die miteinander in Kontakt stehenden bildrahmenförmigen Elemente 61 nicht getrennt. Im Ergebnis kann wirkungsvoll verhindert werden, dass Fremdstoffe von außen her eintreten können, und wird auch die Haltbarkeit der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 verbessert.
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Da der flexible Absorptionsabschnitt 61b in der Stapelrichtung der Separatoren elastisch kontrahierbar ist, wird die relative Annäherung der Separatoren 3 nicht eingeschränkt, solange diese innerhalb eines elastisch kontrahierbaren Bereichs stattfindet.
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Auch wenn daher die ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 oder die Membranelektrodenanordnung 5 im Lauf der Zeit altert und die Höhe niedrig wird, kann sich der flexible Absorptionsabschnitt 61b in der Stapelrichtung der Separatoren kontrahieren, um den Raum zwischen Separatoren zu verkleinern. Im Ergebnis kann der enge Kontaktzustand dieser Abdichtmaterialien 51 und 53 und der Membranelektrodenanordnung 5 mit dem Separator 3 eingehalten werden, was eine Abnahme der Stromerzeugungsleistung und eine Situation, dass keine Stromerzeugung möglich ist, verhindert.
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Da das bildrahmenförmige Element 61 aus einem Isoliermaterial gebildet ist, ist die Wirkung so, dass ein Kurzschluss nicht auftritt, auch wenn die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels durch Wasser oder Kondensation nass wird, und die Wirkung, dass ein Kurzschluss durch Kontakt benachbarter Separatoren nicht stattfindet. Da ferner die Außenumfangsflächen des Separators 3 durch das Isoliermaterial abgedeckt sind, ist es auch möglich, zu verhindern, dass benachbarte Separatoren kurzgeschlossen werden.
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Ferner hat das bildrahmenförmige Element 61, das um den Gesamtumfang des Außenrandabschnitts des Separators 3 herum angeordnet ist, insbesondere der aus hartem Harzmaterial bestehende Körperabschnitt 61a, die Funktion einer Verstärkungsrippe. Daher kann eine Verformung des dünnen Metallseparators 3 wirkungsvoll verhindert werden.
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Falls ein dicker Separator, der die Verstärkungsfunktion nicht benötigt, anstelle dieses dünnen Metallseparators 3 verwendet wird, kann das gesamte bildrahmenförmige Element 61 aus elastischem Material aufgebaut sein.
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3A ist ein Querschnitt, der ein Modifikationsbeispiel der ersten Ausführung zeigt, und 3B ist ein Querschnitt entlang Linie B-B in 3A.
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In der Beschreibung für dieses Modifikationsbeispiel sind die gleichen Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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Ein bildrahmenförmiges Element 81 in diesem Modifikationsbeispiel ist derart aufgebaut, dass ein flexibler Absorptionsabschnitt 81b einen Körperabschnitt 81a abdeckt, und ein Ablaufloch 83 ist in zumindest einem der flexiblen Absorptionsabschnitte 81b1 ausgebildet, die sich parallel zu dem Separator 3 erstrecken.
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Der Körperabschnitt 81a und der flexible Absorptionsabschnitt 81b sind z. B. aus dem gleichen Material wie der Körperabschnitt 61a und der flexible Absorptionsabschnitt 61b in 1 aufgebaut.
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Das Ablaufloch 83 dient zum Abführen von überschüssigem Gas oder zwischen den Separatoren 3 entstandenem Taukondenswasser und ist in einer angenäherten Z-Form gekrümmt ausgeformt, wie in 3B gezeigt, um zu verhindern, dass Fremdstoffe von außen her eindringen, indem die Position der Öffnungen 83a und 83b in Richtung der Separatorbreite (in der vertikalen Richtung in 3B) verschoben ist.
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Da auch bei diesem Modifikationsbeispiel das bildrahmenförmige Element 81 den flexiblen Absorptionsabschnitt 81b aufweist, kann verhindert werden, dass Fremdstoffe von außen her eindringen, während sich der Raum zwischen den Separatoren erweitert, und kann ein Schlechterwerden der Dichteigenschaften durch Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit verhindert werden, wie in der ersten Ausführung.
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Das bildrahmenförmige Element 81 kann mit einem zweiten Abdichtmaterial 53 verbunden sein, wie etwa jenem, das an dem Separator 3 angeordnet ist, der sich in der untersten Stufe in 3A befindet.
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18A ist ein Diagramm, das das andere Modifikationsbeispiel der ersten Ausführung zeigt, und 18B zeigt ein vergrößertes Diagramm des Vorsprungsabschnitts 52a des Außenumfangs-Abdichtmaterials.
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In der Erläuterung dieses Modifikationsbeispiels der ersten Ausführung sind die gleichen Bestandteile wie jene von 2 mit den Bezugssymbolen bezeichnet und ihre Erläuterungen sind weggelassen.
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In dem bildrahmenförmigen Element 261 nach diesem Modifikationsbeispiel bedeckt der flexible Absorptionsabschnitt 261b (das isolierende Außenumfangselement) den Hauptkörperabschnitt 261a, und beide Oberflächen des außenseitigen Abschnitts des Außenumfangsabdichtmaterials 52 des Separators 3, d. h. die Vorder- und Rückflächen des außenseitigen Abschnitts, sind mit dem flexiblen Absorptionsabschnitt 261b abgedeckt. Da die Außenumfangsendfläche des Separators 3 und die Innenrandfläche der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b durch das bildrahmenförmige Element 261 und den flexiblen Absorptionsabschnitt 261b abgedeckt sind, sind die Innenendfläche der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b durch den flexiblen Absorptionsabschnitt 261b abgedeckt.
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Dieser Hauptkörperabschnitt 261a und der flexible Absorptionsabschnitt 61b sind aus dem gleichen Material wie dem des Hauptkörperabschnitts 61a und des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b, die in 2 gezeigt sind, aufgebaut.
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Zusätzlich ist der flexible Absorptionsabschnitt 261b integral mit dem ersten Abdichtmaterial aufgebaut, das das Umfangsabdichtmaterial 52 enthält, und ist auch integral mit dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut.
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Der flache Umfangsabdichtmaterialabschnitt 52b eines benachbarter Separatoren 3 ist flach ausgeformt, und das Umfangsabdichtmaterial 52a ist vorstehend ausgeformt. Ferner ist der obere Abschnitt des vorstehenden Umfangsabdichtmaterials im Querschnitt R-förmig konfiguriert.
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Bei der Konstruktion dieses Modifikationsbeispiels ist der flexible Absorptionsabschnitt 261b in der Lage, sich in der Stapelrichtung der Separatoren elastisch zu kontrahieren, wodurch es, wie in der ersten Ausführung beschrieben, möglich ist, eine Kontamination zu verhindern, wenn sich der Separatorraum ausdehnt, und auch zu verhindern, dass die Dichteigenschaften des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden.
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Da die Außenendfläche des Separators 3 und die Innenendflächen der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b durch das bildrahmenförmige Element abgedeckt sind, ist es möglich, einen elektrischen Kurzschluss an der Außenendfläche des Separators 3 und den Innenendflächen der Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b zu verhindern.
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Da zusätzlich die freiliegende Metalloberfläche des Separators 3 an dem außenseitigen Abschnitt des Umfangsabdichtmaterials 52 von dem flexiblen Absorptionsabschnitt 61b vollständig abgedeckt ist, ist es möglich zu verhindern, dass benachbarte Separatoren elektrisch kurzgeschlossen werden, während die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird.
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Da ferner der flexible Absorptionsabschnitt 261b integral mit dem ersten Abdichtmaterial 51 sowie auch dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut ist, ist es möglich, diese Materialien gleichzeitig zu formen, was zu einer Reduktion der Herstellungskosten dieser Komponenten führt.
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Da zusätzlich die Umfangsabdichtmaterialien 52 in einer Kombination einer flachen Form und einer vorstehenden Form ausgebildet sind, kann eine Fehlausrichtung des Vorsprungsabschnitts 52a des Umfangsabdichtmaterials 52 in Bezug auf den flachen Abschnitt 52b des Umfangsabdichtmaterials 52 absorbiert werden, was einen Ausrichtvorgang der Dichtabschnitte unnötig macht und was eine Zunahme der Produktivität ergibt.
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Beim Stapeln der Separatoren wird der R-förmige Querschnitt des Oberabschnitts des Vorsprungsabschnitts des Umfangsabdichtmaterials eines Separators auf den flachen Abschnitt des Abdichtmaterials des anderen Separators gepresst, und die Abdichtung wird verbessert.
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4 ist ein Querschnitt, der ein anderes Modifikationsbeispiel der ersten Ausführung zeigt.
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In der Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die gleichen Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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Das bildrahmenförmige Element 91 nach diesem Modifikationsbeispiel ist derart aufgebaut, dass eine Abdeckgrenze L1 eines Körperabschnitts 91a, der die Seite der Reaktionsebene 3a des Separators 3 abdeckt, im Wesentlichen auf die Hälfte einer Abdeckgrenze L2 gesetzt ist, die die Seite der Kühlebene 3b abdeckt, und der flexible Absorptionsabschnitt 91b ist mit nur dem innenseitigen Randabschnitt an der Kühlebenenseite des Körperabschnitts 91a integriert.
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Der Körperabschnitt 91a und der flexible Absorptionsabschnitt 91b sind z. B. aus dem gleichen Material wie das des Körperabschnitts 61a und des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b in 1 aufgebaut.
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Da auch bei diesem Modifikationsbeispiel das bildrahmenförmige Element 91 den flexiblen Absorptionsabschnitt 91b aufweist, kann verhindert werden, dass Fremdstoffe von außerhalb eindringen, während sich der Raum zwischen den Separatoren erweitert, und kann ein Schlechterwerden der Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit verhindert werden, wie in der ersten Ausführung.
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Ferner hat der flexible Absorptionsabschnitt 91b des bildrahmenförmigen Elements 91 nach dieser Ausführung eine höhere Vorsprungshöhe von dem Separator 3 als die des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b in der ersten Ausführung. Im Ergebnis kann eine noch stärkere Vergrößerung und Verkleinerung der Grenze aufgenommen werden, und daher hat dies ausgezeichnete Folgeeigenschaften, während sich der Raum zwischen den Separatoren erweitert.
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Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführung beschrieben.
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5 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
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Die gleichen Bestandteile wie jene von 1 sind mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 1 bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
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Ein bildrahmenförmiges Element 101 nach dieser Ausführung hat eine Grundkonstruktion, die sich von jener der ersten Ausführung und von deren Modifikationsbeispielen unterscheidet, die elastische Verformung nutzen, um eine Vergrößerung und Verkleinerung zu absorbieren, darin, dass die Vergrößerung und Verkleinerung in der Stapelrichtung der Separatoren mechanisch absorbiert wird.
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Dieses bildrahmenförmige Element 101 hat eine im Schnitt konvexe Form mit einem Vorsprungsabschnitt 101a, der von einem Basisabschnitt 101b vorsteht, und der Vorsprungsabschnitt 101a ist so angeordnet, dass er abwechselnd entlang der Stapelrichtung der Separatoren zur Innenseite des Brennstoffzellenstapels (der rechten Seite in 5) und der Außenseite davon (der linken Seite in 5) weist.
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Die zwei benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 sind in einer mit dem Separator 3 parallelen Ebene 101B normalerweise nicht in Kontakt miteinander, sondern sind in einer Ebene 101A, die parallel zur Stapelrichtung der Separatoren ist, miteinander in Kontakt gebracht.
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D. h. ein Raum zwischen den Separatoren wird durch die Vorsprungshöhe der ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 (in 5 ist nur das zweite Abdichtmaterial 53 gezeigt) von dem Separatur 3 erzeugt. Diese Vorsprungshöhe ist größer festgelegt als die Summe der Vorsprungshöhe des Vorsprungsabschnitts 101a und der Vorsprungshöhe des Basisabschnitts 101b von dem Separator 3.
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Im Ergebnis wird ein Spalt 103 zwischen dem Basisabschnitt 101b eines der zwei benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 und dem Vorsprungsabschnitt 101a des anderen bildrahmenförmigen Elements 101 gebildet.
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Bei dieser Konstruktion wird die Ausdehn- oder Kontraktionsbewegung des Raums zwischen den Separatoren nur durch Vergrößerung oder Verschmälerung des Spalts 103 zwischen den bildrahmenförmigen Elementen 101 absorbiert, während die Ebene 101A von einem der zwei benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 relativ zur Ebene 101A des anderen bildrahmenförmigen Elements 101 verschoben wird, ohne sich voneinander zu trennen.
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Daher kann, wie in der ersten Ausführung, verhindert werden, dass Fremdstoffe von außerhalb eindringen, wenn sich der Raum zwischen den Separatoren vergrößert, und kann eine Verschlechterung der Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit verhindert werden.
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Wenn man in dieser Ausführung die zwei benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 101 betrachtet, tritt keinerlei Last entlang der Stapelrichtung der Separatoren zwischen diesen zwei bildrahmenförmigen Elementen auf, da die zu dem Separator 3 parallelen Ebenen 101B nicht miteinander in Kontakt kommen.
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Daher wird die Kompressionslast, die auf die ersten und zweiten Abdichtmaterialien 51 und 53 einwirken, nicht in das bildrahmenförmige Element 101 verteilt, um hierdurch einen wirkungsvollen Schutz vor einer Minderung des Dichtflächendrucks zu ermöglichen.
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6 ist ein Querschnitt, der ein Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführung zeigt.
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In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind gleiche Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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Bei einem bildrahmenförmigen Element 111 dieses Modifikationsbeispiels verschieben sich, wie in der Konstruktion in 5, eine Oberfläche 111A eines der benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 111 relativ zu einer Oberfläche 111A eines anderen der bildrahmenförmigen Elemente 111, ohne sich voneinander zu trennen, um hierdurch einen Spalt 113 zwischen den bildrahmenförmigen Elementen 111 weiter zu machen oder zu verengen. Im Ergebnis kann, wie in der zweiten Ausführung, verhindert werden, dass Fremdstoffe während der Vergrößerung des Raums zwischen den Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaft mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter wird und dass der Dichtflächendruck sinkt.
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Von dem Gesichtspunkt her, dass die bildrahmenförmigen Elemente 111 mit dem gleichen Querschnitt an dem Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in der gleichen Form angeordnet sind, unterscheidet sich in dieser Ausführung die Konstruktion von jener der zweiten Ausführung, in der die bildrahmenförmigen Elemente 101 mit dem gleichen Querschnitt an dem Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in einer unterschiedlichen Form angeordnet sind, d. h. wobei die Vorsprungsrichtung der Vorsprungsabschnitte 101a in der Stapelrichtung der Separatoren abwechselnd geändert wird.
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Falls somit das bildrahmenförmige Element 111 integral an dem Außenrandabschnitt des Separators 3 durch Spritzguss geformt ist, ist daher ein Gießen mit nur einem einzigen Formtyp möglich, um hierdurch eine Reduktion der Produktionskosten zu ermöglichen.
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7 ist ein Querschnitt, der ein anderes Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführung zeigt.
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In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die gleichen Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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In einem bildrahmenförmigen Element 121 nach diesem Modifikationsbeispiel ist ein konkaver Abschnitt 123 in der Endfläche seitens der Kühlebene 3B des Separators 3 ausgebildet, und ein konvexer Abschnitt 125 mit einer Form, die in den konkaven Abschnitt 123 einsetzbar ist, ist vorstehend an der Endfläche seitens der Reaktionsebene 3A des Separators 3 ausgebildet.
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Bei dieser Konstruktion kann eine Vergrößerung und Verkleinerung durch Erweiterung oder Verengung des Spalts zwischen den bildrahmenförmigen Elementen 121 absorbiert werden, während die Innenfläche 123A des konkaven Abschnitts und die Außenfläche 125A des konvexen Abschnitts relativ zueinander parallel zur Stapelrichtung der Separatoren gleiten, ohne sich voneinander zu trennen. Da ferner die bildrahmenförmigen Elemente 121, die den gleichen Querschnitt haben, an dem Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in der gleichen Form angeordnet sind, kann verhindert werden, dass die Dichteigenschaft mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter wird und dass der Dichtflächendruck abnimmt, und es kann eine Minderung der Produktionskosten realisiert werden, wie bei dem Modifikationsbeispiel von 6.
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Wenn ferner, bei dem bildrahmenförmigen Element 121 dieses Modifikationsbeispiels, der konvexe Abschnitt 125 des bildrahmenförmigen Elements 121, der in einem der benachbarten Separatoren 3 angeordnet ist, in den konkaven Abschnitt 123 des bildrahmenförmigen Elements 121 eingesetzt wird, der in dem anderen Separator 3 angeordnet ist, kann die relative Position der Separatoren 3 automatisch justiert werden, um hierdurch eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit beim Zusammenbau und der Wartung zu ermöglichen.
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D. h. in diesem Modifikationsbeispiel ist eine Separatorpositionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung durch den konkaven Abschnitt 123 und den konvexen Abschnitt 125 aufgebaut.
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Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführung beschrieben.
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8 ist eine Querschnittsansicht, die die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
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Die gleichen Bauteile wie jene von 2 sind mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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Ein bildrahmenförmiges Element 131 nach dieser Ausführung hat eine schüsselartige Schrägfläche mit einer Endfläche 131A an seitens der Kühlebene 3B des Separators 3 und einer Endfläche 131B an seitens der Reaktionsebene 3A des Separators 3, die in Bezug auf die Kühlebene 3B und die Reaktionsebene 3A geneigt ist, wobei die Innenseite nach unten weist (in dem Querschnitt, der den Hauptteil in 8 zeigt, die rechte Seite nach unten).
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In dieser Ausführung ist die Separatorpositionierungsvorrichtung durch diese Endflächen 131A und 131B aufgebaut.
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Bei dieser Konstruktion kann eine Vergrößerung und Verkleinerung des Raums zwischen den Separatoren durch die relative Gleitbewegung der Endfläche 131A eines der benachbarten bildrahmenförmigen Elemente 131 und der Endfläche 131B des anderen bildrahmenförmigen Elements 131 absorbiert werden, ohne sich voneinander zu trennen. Da ferner die bildrahmenförmigen Elemente 131 mit dem gleichen Querschnitt und mit der gleichen Form um den Außenumfang des Separators 3 herum angeordnet sind, wird die Relativposition der Separatoren 3 automatisch justiert. Da die bildrahmenförmigen Elemente 131 mit dem gleichen Querschnitt an dem Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in der gleichen Form angeordnet sind, kann verhindert werden, dass Fremdstoffe während der Vergrößerung des Raums zwischen die Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt, und kann eine Minderung der Produktionskosten und eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit beim Zusammenbau und der Wartung realisiert werden, wie in dem Modifikationsbeispiel von 6.
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9 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
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Die gleichen Bauteile wie jene von 2 sind mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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Ein bildrahmenförmiges Element 141 nach dieser Ausführung ist aus dem gleichen elastischen Material gebildet wie z. B. jenes des flexiblen Absorptionselements 61b in 2, in der Form von Federn eines Pfeils im Querschnitt.
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In diesem bildrahmenförmigen Element 141 ist die Separatorpositionierungsvorrichtung durch eine im Querschnitt dreieckige Nut 143 aufgebaut, die an der Endfläche seitens der Kühlebene 3B angeordnet ist, und einen im Schnitt dreieckigen Vorsprungsabschnitt 145, der an der Endfläche seitens der Reaktionsebene 3A ausgebildet ist.
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Bei dieser Konstruktion wird eine Vergrößerung und Verkleinerung des Raums zwischen Separatoren durch elastische Vergrößerung und Verkleinerung des bildrahmenförmigen Elements 141 absorbiert. Auch wenn der im Schnitt dreieckige Vorsprungsabschnitt 145 des bildrahmenförmigen Elements 141, das an einem der benachbarten Separatoren 3 angeordnet ist, in die im Schnitt dreieckige Nut 143 des anderen bildrahmenförmigen Elements 141, das in dem anderen Separator 3 angeordnet ist, eingesetzt wird, kann die Relativposition der Separatoren automatisch justiert werden, und ferner sind die bildrahmenförmigen Elemente, die den gleichen Querschnitt haben, an dem Außenrandabschnitt jedes Separators 3 in der gleichen Form angeordnet. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass Fremdstoffe bei der Erweiterung des Raums zwischen den Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt, und es kann eine Minderung der Produktionskosten und eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit beim Zusammenbau und der Wartung realisiert werden, wie in der Konstruktion von 8.
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In den oben beschriebenen Konstruktionen, in denen die bildrahmenförmigen Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131 und 141 an dem Außenrandabschnitt des Separators angeordnet sind, kann der Außenrand des Separators 3 zur Bildung gebogener Abschnitte 3a, 3b und 3c geknickt werden, wie in 10 gezeigt.
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Bei dieser Konstruktion haben die gebogenen Abschnitte 3a, 3b und 3c die Funktion einer Verstärkungsrippe und eines Elements, das eine Trennung der bildrahmenförmigen Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131 und 141 verhindert. Im Ergebnis kann wirkungsvoll verhindert werden, dass sich der dünne Metallseparator 3 verformt und die bildrahmenförmigen Elemente 61, 81, 91, 101, 111, 121, 131 und 141 getrennt werden.
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Nun wird eine Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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11 ist ein Querschnitt, der die Hauptteile der Brennstoffzelle zeigt.
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Die gleichen Bauteile wie jene von 2 sind mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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In dieser Brennstoffzelle ist ein ringförmiges Isoliermaterial 201, das ein Harz, Gummi oder dgl. aufweist, das die Innenumfangsflächen und die Innenumfangsendflächen abdeckt, um das einlassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41a, das einlassseitige Brenngasverbindungsloch 42a, das einlassseitige Kühlmittelverbindungsloch 43a, das auslassseitige Oxidationsgasverbindungsloch 41b, das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b und das auslassseitige Kühlmittelverbindungsloch 43b, die in dem Separator 3 ausgebildet sind, herum angeordnet.
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In 11 ist nur das auslassseitige Brenngasverbindungsloch 42b gezeigt.
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Bei dieser Konstruktion kann eine Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel und ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren in dem Reaktionsgaskanal verhindert werden.
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Da insbesondere eine Brennstoffzelle nach der vorliegenden Ausführung Metall und dünne Separatoren verwendet, sind die Räume zwischen den Separatoren klein, und daher hat diese eine nachteilige Struktur darin, einen Kurzschluss zwischen Separatoren zu verhindern.
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Daher ist der Effekt bei dieser Konstruktion substanziell.
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Ferner hat, am Umfang des Verbindungslochs in diesem dünnen Metallseparator 3, das Isolierelement 201 die Funktion als Verstärkungsrippe, und daher kann eine Verformung desselben ebenfalls wirkungsvoll verhindert werden.
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Da ferner die Vorsprungshöhe des Isolierelements von den Vorder- und Rückseiten des Separators derart gesetzt ist, dass das Isolierelement 201, das an einem der benachbarten zwei Separatoren 3 angeordnet ist, nicht in Kontakt mit dem Isolierelement 201 an dem anderen Separator 3 kommt, d. h. ein Spalt 203 zwischen den Isolierelementen 201 gebildet ist, kann eine Vergrößerung und Verkleinerung des Raums zwischen den Separatoren durch Erweiterung oder Verengung dieses Spalts 203 absorbiert werden.
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Daher kann verhindert werden, dass Fremdstoffe während der Erweiterung des Raums zwischen den Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt.
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Ferner sind Isolierelemente 201, die den gleichen Querschnitt haben, um die Verbindungslöcher jedes Separators 3 in der gleichen Form herum angeordnet. Wenn das Isolierelemenet 201 integral mit dem Separator 3 durch Spritzguss geformt wird, ist daher ein Gießen mit nur einem einzigen Formtyp möglich, um hierdurch die Produktionskosten reduzieren zu können.
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12 und 13 sind Querschnitte, die Modifikationsbeispiele der vierten Ausführung zeigen.
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In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die gleichen Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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In dem Modifikationsbeispiel von 12 ist ein ringförmiges Isolierelement 211, das das gleiche Material und die gleiche Querschnittsform wie z. B. jene des bildrahmenförmigen Elements 101 in 5 aufweist, um jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet. In dem Modifikationsbeispiel von 13 ist ein ringförmiges Isolierelement 221, das das gleiche Material und die gleiche Querschnittsform wie z. B. jene des bildrahmenförmigen Elements 111 in 6 aufweist, um jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet.
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Bei diesen Konstruktionen kann, wie bei der Konstruktion in 11, verhindert werden, dass sich eine Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel und ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren in dem Reaktionsgaskanal bildet, dass Fremdstoffe bei der Erweiterung des Raums zwischen Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden und der Dichtflächendruck abnimmt.
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Insbesondere haben in dem Modifikationsbeispiel in 13 alle Isolierelemente 221, die um die jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet sind, die gleiche Querschnittsform. Wenn daher das Isolierelement 221 integral mit dem Separator 3 durch Spritzguss geformt wird, ist die Form mit nur einem einzigen Formtyp möglich, um hierdurch eine Reduktion der Produktionskosten zu ermöglichen.
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14 und 15 sind Querschnitte, die erfindungsgemäße Beispiele einer fünften Ausführung zeigen.
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In der folgenden Beschreibung dieses Beispiels sind gleiche Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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In 14 ist ein ringförmiges Isolierelement 231, das das gleiche Material und die Querschnittsform wie z. B. jene des bildrahmenförmigen Elements 61 in 2 aufweist, um jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet. In 15 ist ein ringförmiges Isolierelement 241, das aus dem gleichen Material wie z. B. das des flexiblen Absorbers 61b in 2 aufweist und einen Schutzabschnitt 241a an einem der offenen Enden aufweist, um jedes Verbindungsloch 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b herum angeordnet.
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Auch bei dieser Konstruktion kann, wie bei der Konstruktion in 11, verhindert werden, dass sich eine Flüssigkeitsverbindung durch das Kühlmittel und ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Separatoren in dem Reaktionsgaskanal bildet, dass Fremdstoffe bei der Erweiterung des Raums zwischen Separatoren eindringen, dass die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden und dass der Dichtflächendruck abnimmt. Ferner können die Produktionskosten beim integralen Formen der Isolierelemente 231 und 241 mit dem Separator 3 durch Spritzguss reduziert werden.
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19A ist ein Querschnitt, der Hauptteile der Brennstoffzelle der fünften Ausführung zeigt, und 19B ist ein vergrößerter Querschnitt eines Vorsprungsabschnitts des Umfangsabdichtmaterials 52a.
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In dieser Ausführung sind die gleichen Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
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In dieser Brennstoffzelle sind beide Oberflächen des außenseitigen Abschnitts des Umfangsabdichtmaterials 52, d. h. die Vorder- und Rückseiten des außenseitigen Abschnitts, vollständig durch das Isoliermaterial 271 abgedeckt. Darüber hinaus sind auch die Außenumfangsendfläche des Separators 3 und die Innenumfangsendflächen der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43a mit dem Isoliermaterial 271 abgedeckt.
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Dieses Isoliermaterial 271 ist aus Elastik- und Elastikschaummaterial, wie etwa Gummi und dgl., hergestellt, ähnlich dem flexiblen Absorptionsabschnitt 261b.
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Ferner ist das Isolierelement 271 integral mit dem ersten Abdichtmaterial 51 aufgebaut, einschließlich dem Umfangsabdichtmaterial 52, und ist auch integral mit dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut.
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Der flache Abschnitt 52b (der flache Abschnitt des Isolierelements 271b) des Umfangsabdichtmaterials an einer Seite des benachbarten Separators 3 ist flach ausgebildet, und der Vorsprungsabschnitt 52a (der Vorsprungsabschnitts des Isolierelements 271a) des Umfangsabdichtmaterials an der anderen Seite des benachbarten Separators ist vorstehend ausgebildet. Ferner ist der obere Abschnitt des Vorsprungsabschnitts des Umfangsabdichtmaterials im Schnitt halbkreisförmig konfiguriert.
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Der Umfangsabschnitt des Separators 3 und der Innenumfangsabschnitt der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b weisen jeweilige Stufenabschnitte 3d auf. Die Umfangsabschnitte 3a des Separators 3 und die Innenumfangsabschnitte der jeweiligen Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43b werden durch diese Stufenabschnitte 3d zur Reaktionsoberfläche 3A umgewandelt. Zwischen diesen Reaktionsoberflächen 3A des Separators 3 ist ein Raum 253 vorgesehen.
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Bei dieser Konstruktion ist es möglich, einen elektrischen Kurzschluss zwischen Umfangsendabschnitten des Separators 3 und zwischen Innenumfangsendflächen jeweiliger Verbindungslöcher 41a, 42a, 43a, 41b, 42b und 43a wirkungsvoll zu vermeiden.
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Da darüber hinaus beide Oberflächen der freiliegenden Metalloberfläche des Separators 3 an dem Umfangsabdichtmaterial 52 vollständig mit dem Isolierelement 271 abgedeckt sind, ist es möglich, die Korrosionsbeständigkeit der Separatoren zu verbessern und einen elektrischen Kurzschluss zwischen Separatoren 3 zu verhindern.
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Da ferner das Isolierelement 271 integral mit dem ersten Abdichtmaterial 51 und dem zweiten Abdichtmaterial 53 aufgebaut ist, können diese Isoliermaterialien gleichzeitig geformt werden, wodurch die Produktionskosten reduziert werden können.
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Da die Umfangsabdichtmaterialien 52 in Kombination einer flachen Form und einer Vorsprungsform ausgebildet sind, ist es möglich, die relative Fehlausrichtung des vorstehenden Umfangsmaterials in Bezug auf das flache Umfangsmaterial zu absorbieren, wodurch es unnötig wird, für die Umfangsabdichtmaterialien 52 einen Ausrichtvorgang durchzuführen.
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Da zusätzlich beim Stapeln der Separatoren der flache Abschnitt 52b des Umfangsabdichtmaterials durch den halbkreisförmigen oberen Abschnitt des Vorsprungsumfangsabdichtmaterials 52a unter Druck gesetzt wird, ist es möglich, die Abdichtung zwischen den Umfangsabschnitten zu verbessern.
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Da darüber hinaus Stufenabschnitte 3d, die an den Außenrandabschnitten 3d der aus dünnen Metallplatten hergestellten Separatoren 3 vorgesehen sind und um die Verbindungslöcher herum vorgesehen sind, die Funktion einer Verstärkungsrippe haben, kann eine Verformung der Separatoren 3 wirkungsvoll verhindert werden.
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Da die Vorsprungshöhe des Stufenabschnitts von den Vorder- zu den Rückseiten der benachbarten Separatoren 3 so gesetzt ist, dass die Passage zu den Reaktionsoberflächen 3a nicht verschließt, d. h. um einen Raum 273 zu bilden, kann die Vergrößerung und Verkleinerung zwischen benachbarten Separatoren 3 durch die Vergrößerung und Verkleinerung des Raums 273 absorbiert werden.
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Demzufolge lässt sich verhindern, dass von außen Materialien in den Raum eindringen, wenn sich dieser aufweitet, dass das Abdichtmaterial im Lauf der Zeit altert und dass Dichtflächendruck abnimmt.
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16 ist ein Querschnitt, der eine nicht erfindungsgemäße sechste Ausführung zeigt.
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In der folgenden Beschreibung dieses Modifikationsbeispiels sind die gleichen Bauteile wie jene von 2 mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen.
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Ein bildrahmenförmiges Element 251 nach dieser Ausführung ist so auufgebaut, dass der Außenumfang eines Körperabschnitts 251a, der am Außenumfangsabschnitt des Separators 3 angeordnet ist, mit einem flexiblen Absorptionsabschnitt 251b abgedeckt ist, der ein vibrationsisolierendes Material, wie etwa Gummi, aufweist, sodass der flexible Absorptionsabschnitt 251b auch eine Funktion als Lagerabschnitt an dem Fahrzeugkörper hat.
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Auch bei dieser Konstruktion kann, wie in der Konstruktion der 1, verhindert werden, dass Fremdstoffe während der Erweiterung des Raums zwischen die Separatoren eindringen und dass die Dichteigenschaften mit der Alterung des Abdichtmaterials im Lauf der Zeit schlechter werden.
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Falls darüber hinaus die Brennstoffzellen 1 in der seitlichen Richtung (in der horizontalen Richtung) gestapelt und an einer Klemmfläche 300 angebracht werden, kommt der flexible Absorptionsabschnitt 251b des bildrahmenförmigen Elements 251 in Kontakt mit der Klemmfläche 300 der Brennstoffzelle 1, um auch eine Vibrationsisolationsfunktion zu haben. Daher ist es nicht notwendig, das vibrationsisolierende Teil an dem Brennstoffzellenstapel als separater Körper anzubringen, um hierdurch eine Kostenreduktion zu ermöglichen.
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Der flexible Absorptionsabschnitt 251b, der das vibrationsisolierende Material aufweist, kann für jede Brennstoffzelle vorgesehen sein, oder als Einheit für einen Mehrzahl von Brennstoffzellen.
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Ein in 17 gezeigtes Modifikationsbeispiel zeigt einen Brennstoffzellenstapel, in dem ein flexibler Absorptionsabschnitt 251b, der das vibrationsisolierende Material aufweist, für jede Brennstoffzelle vorgesehen ist. In diesem Brennstoffzellenstapel sind der flexible Absorptionsabschnitt 251b, der das vibrationsisolierende Material aufweist, und ein flexibler Absorptionsabschnitt 251c, der das gleiche Material wie das des flexiblen Absorptionsabschnitts 61b in 2 aufweist, für jeden anderen Separator 3 abwechselnd angeordnet.
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In den oben beschriebenen Ausführungen und Modifikationsbeispielen ist der Separator 3 aus rostfreiem Stahl gebildet, kann jedoch aus jedem anderen Metallmaterial, wie etwa Titan, gebildet sein oder einem kohlenstoffartigen Material.
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In einer Festpolymer-Elektrolytmembrane[Folien]-Brennstoffzelle der Erfindung ist ein Paar von Elektroden an entgegengesetzten Seiten einer Festpolymerelektrolytmembrane [Folie] vorgesehen, sind dessen Außenseiten durch ein Paar von Separatoren eingeklemmt und sind nicht-leitfähige bildrahmenförmige Elemente 61 an den Außenrandabschnitten des Separators angeordnet, um eine Vergrößerung und Verkleinerung eines Raums zwischen Separatoren zu gestatten, während ein Spalt zwischen den Separatoren abgedichtet wird.
