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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (z.B.
eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, wie eine Hochpolymer-Feststoff-Brennstoffzelle),
ein Herstellungsverfahren für
die Brennstoffzelle und eine Herstellungsvorrichtung zur Herstellung
der Brennstoffzelle.
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Eine Hochpolymer-Feststoff-Brennstoffzelle ist
aus einer geschichteten Einheit einschließlich einer Membranelektrodenanordnung
(nachfolgend als "MEA" bezeichnet) und
Separatoren aufgebaut. Die MEA ist aus einer Elektrolytmembran aufgebaut,
die aus einer Ionenaustauschmembran gebildet ist; einer Elektrode
(Anode, Brennstoffelektrode), die aus einer auf einer Oberfläche der
Elektrolytmembran abgeschiedenen katalytischen Schicht gebildet
ist; und einer Elektrode (eine Kathode, Luftelektrode), die aus einer
auf der anderen Seite der Elektrolytmembran abgeschiedenen katalytischen
Schicht gebildet ist. Die jeweiligen Diffusionsschichten sind auf
der Anodenseite und der Kathodenseite zwischen der MEA und den Separatoren
angeordnet. Ein Brennstoffgasdurchtritt, der ein Brennstoffgas (Wasserstoff)
an die Anode führt,
und ein Sauerstoffgasdurchtritt, der Sauerstoffgas (Sauerstoff oder
normalerweise Luft) an die Kathode führt, sind in den entsprechenden
Separatoren ausgebildet. Darüber
hinaus ist ein Kühlmitteldurchtritt,
der den Separatoren Kühlmittel
zuführt
(normalerweise Kühlwasser)
auch in den Separatoren ausgebildet. Eine Zelle ist durch Aufeinanderschichten
der MEA und der Separatoren aufgebaut und ein Modul aus zumindest
einer Zelle. Nachfolgend wird eine Stapelzelleneinheit durch Stapeln
von Modulen gebildet. Schließlich
wird ein Stapel durch Anbringen der jeweiligen Anschlüsse, Isolatoren
und Endplatten an jedem Ende in der Zellstapelrichtung der Stapelzelleneinheit,
Anziehen der Stapelzelleneinheit in der Zellstapelrichtung und Befestigen
eines Befestigungselements (z.B. einer Spannplatte), das sich von
einer Außenseite
der Stapelzelleneinheit in Zellstapelrichtung erstreckt, unter Verwendung
von Schrauben und Muttern gebildet. Eine Reaktion, in der Wasserstoff
zu Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen abgebaut wird, tritt
an der Anodenseite jeder Zelle auf, wobei die Wasserstoffionen nachfolgend
durch Hindurchtreten durch die Elektrolytschicht auf die Kathodenseite
wandern. Nachfolgend tritt an der Kathodenseite die folgende Reaktion
auf, in der Wasser aus dem Sauerstoff und den Wasserstoffionen und
Elektronen (an der Anode der benachbarten MEA erzeugte Elektronen
bewegen sich über den
Separator auf die Kathodenseite oder, alternativ, an der Anode der
Zelle an einem Ende in der Zellstapelrichtung erzeugte Elektronen
bewegen sich auf die Kathodenseite der Zelle an dem anderen Ende über einen äußeren Schaltkreis)
erzeugt wird. Anodenseite: H2 → 2H
+ 2e-; Kathodenseite: 2H+ +
2e- + (1/2) O2 → H2O
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Damit die obige Reaktion normal verläuft, werden
das Brennstoffgas (Wasserstoff), das Sauerstoffgas (Luft) und das
Kühlmittel
(Kühlwasser)
getrennt voneinander gehalten, so dass sie sich nicht vermischen.
Ferner wird zum Abdichten der Separatoren, die einander mit der
zwischen ihnen im Sandwich angeordneten MEA zugewandt sind, und
zum Abdichten zwischen den katalytischen Schichten und den Separatoren
ein Haftmittel verwendet. Eine Dichtung dichtet die Zellen und die
Module jeweils voneinander ab. Wenn innere Verteilrohre in den Separatoren
ausgebildet sind, sind die jeweiligen Umgebungen der Verteilrohre
auch mit Haftmittel abgedichtet. Ferner verlaufen in einem durch
Stapeln von Zellen gebildeten Stapel die Fluidverteilrohre, nämlich ein Brennstoffgasverteilrohr,
ein Sauerstoffverteilrohr, ein Kühlmittelverteilrohr
und dergleichen jeweils durch sämtliche
Zellen in der Zellstapelrichtung (nämlich der Richtung, in welcher
die Zellen geschichtet sind). Die Fluide, welche dem Stapel zugeführt werden,
werden in die entsprechenden Zelloberflächen von einer Einströmseite der
Fluidverteilrohre zugeführt
und nachfolgend durch Fluiddurchtritte innerhalb der Zelloberflächen und
in eine Ausströmseite
der Fluidverteilrohre, um so aus dem Stapel abgeleitet zu werden.
Damit die elektrische Ausgangsleistung aller Zellen einheitlich
wird, ist es wesentlich, dass die jeweiligen Mengen der in jede
Zelle einströmenden
Reaktionsgase für
sämtliche
Zellen gleich sind. Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2000-331691
offenbart einen Aufbau, in welchem die Gasverteilung zu jeder Zelle
durch Ausbildung eines Winkels einer Gaszufuhrseite eines Gasverteilrohres eines
Separators, der zu einem inneren Zelloberflächendurchtritt führt, in
einer kurvenförmigen
Form ausgebildet ist.
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Als Ergebnis von Dimensionsfehlern
der Separatoren jedoch, welche durch ihre Herstellung hervorgerufen
wurden, Ausrichtungsfehler beim Zusammensetzen der Zellen und der
Module in Schichten in dem Stapel und dergleichen ist eine Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
jedoch uneben. (Genauer ist diese Seitenfläche eine Endfläche der
Zelle und sie befindet sich an dem Ende der Zelle in einer Richtung orthogonal
zur Zelloberfläche
und ist auf einen Zwischenraum gerichtet. Diese Endfläche kann
die Seitenfläche
des Stapels sein oder eine Innenfläche des Verteilrohrs innerhalb
des Stapels). Als ein Ergebnis variieren die Mengen, die durch die
inneren Passagen innerhalb der jeweiligen Zellflächen des Verteilrohres fließen von
Zelle zu Zelle. Dementsprechend variiert die Batterieausgangsleistung
für jede
Zelle. Der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2000-331691
offenbarte Stand der Technik ist so aufgebaut, dass eine Gaszufuhr
von dem Gasverteilrohr zu den Durchtritten innerhalb der Zelloberflächen reibungslos
verläuft.
Aufgrund der Unebenheit der Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
jedoch ist das Problem der für
jede Zelle variierenden, in die Durchtritte innerhalb der Zelloberflächen strömenden Gase
nicht gelöst.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Stapel-Brennstoffzelle bereitzustellen,
ein Herstellungsverfahren für
die Stapel-Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zur Herstellung
derselben, welche die Variation der in die Durchtritte innerhalb
der jeweiligen Zelloberflächen
einströmenden
Gasmengen von Zelle zu Zelle verhindert und herabsetzt.
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Zur Lösung des oben genannten Problems umfasst
eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle
unter einem Gesichtspunkt der Erfindung eine Stapelzelleneinheit
mit einer Mehrzahl von Stapelzellen, die mit Separatoren versehen
sind. Diese Stapelzelleneinheit besitzt eine geglättete Seitenfläche einer
Stapelzelleneinheit.
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Unter diesem Gesichtspunkt der Erfindung werden Überstände und
Vertiefungen der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit nach dem Stapeln der Zellen entfernt. Dementsprechend
ist es möglich,
die Gasverteilung zu jeder Zelle gleich zu gestalten, unabhängig von
Fehlern bei der Zellherstellung oder deren Montage.
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Darüber hinaus kann die Erfindung
unter dem ersten Gesichtspunkt ferner ein so ausgebildetes inneres
Verteilrohr umfassen, dass dieses durch die Separatoren verläuft, wobei
die Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit zum inneren Verteilrohr gerichtet sein kann.
Weiterhin kann diese Ausführungsform
so ausgebildet sein, dass die Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
in Kegelform ausgebildet ist und dass diese Kegelform eine Querschnittsfläche des
inneren Verteilrohrs bildet, die in Flussrichtung des Fluids kleiner
wird.
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Zusätzlich kann diese Ausführungsform
der Erfindung ferner ein Haftmittel enthalten, welches die Separatoren
bindet, und das Haftmittel kann zur selben Zeit geglättet werden,
wie die Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit. Mit diesem Aufbau wird das Haftmittel,
das die Separatoren verbindet, zusammen mit der Seitenfläche der
Stapelzelleneinheit geglättet.
Dementsprechend werden, sogar wenn Bereiche des Haftmittels aus
der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit hervorstehen nachdem die Zellen gestapelt
wurden und bevor der Oberflächenglättungsprozess
durchgeführt
wurde, diese Haftmittelbereiche während des Prozesses der Oberflächenglättung entfernt.
Als ein Ergebnis wird die Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
geglättet
und es ist möglich,
die Gasverteilung zu jeder Zelle gleich zu gestalten, unabhängig von
Fehlern bei der Zellherstellung oder deren Montage.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt
der Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle weiterhin eine Stapelzelleneinheit
mit einer Vielzahl gestapelter Zellen, die mit Separatoren versehen
sind, und ein inneres Verteilrohr ist so gebildet, dass es durch
die Separatoren verläuft.
Diese Stapelzelleneinheit besitzt eine Seitenfläche einer Stapelzelleneinheit,
welche zum inneren Verteilrohr gerichtet ist und welche im Vergleich
mit einer anderen Oberfläche
der Stapelzelleneinheit glatt ist.
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Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt
der Erfindung werden Vorstände
und Vertiefungen der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit nach dem Stapeln der Zellen entfernt. Dementsprechend
ist es möglich die
Gasverteilung zu jeder Zelle unabhängig von Zellherstellungs-
oder Zellzusammensetzungsfehlern gleich zu gestalten.
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Darüber hinaus umfassen die gestapelten Zellen
unter dem zweiten Gesichtspunkt eine Membranelektrodenanordnung
und die Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit kann sich nahe der Membranelektrodenanordnung
befinden. Ferner kann die andere Oberfläche der Stapelzelleneinheit
eine äußere Oberfläche sein,
die parallel zu einer Zellstapelrichtung der Stapelzelleneinheit
verläuft.
Gemäß dem zweiten
Gesichtspunkt kann die Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit kegelförmig
ausgebildet sein und diese Kegelform kann so sein, dass eine Querschnittsfläche des
inneren Verteilrohrs in Flussrichtung des Fluids kleiner wird. Bei
dieser Konfiguration ist die Seitenfläche der Stapelzelleneinheit,
welche zum Fluidverteilrohr gerichtet ist, in Kegelform hergestellt.
Durch Ausbildung dieser Kegelform während des Verfahrens, bei dem
die Oberflächenglättung durchgeführt wird,
ist es möglich,
das Problem der Verminderung der Gasflussrate in stromabwärtiger Richtung
des Fluidverteilrohrs durch einfaches Ausführen des Oberflächenglättungsprozesses
zu lösen. Somit
ist es nicht erforderlich eine Bearbeitung mehrere Male zu wiederholen.
Des weiteren kann unter dem zweiten Gesichtspunkt ferner ein Haftmittel
enthalten sein, das die Separatoren bindet, und das Haftmittel kann
zur selben Zeit wie die Seitenfläche der
Stapelzelleneinheit einer Oberflächenglättung unterworfen
werden.
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Unter einem dritten Gesichtspunkt
der Erfindung besitzt eine Stapelzelleneinheit mit einer Vielzahl
von gestapelten Zellen, die mit Separatoren versehen sind, ein so
ausgebildetes inneres Verteilrohr, dass dieses durch die Separatoren
verläuft,
und eine Muffe, welche so darin eingeführt ist, dass sie die Innenfläche des
inneren Verteilrohrs bildet.
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Bei der Brennstoffzelle gemäß dem dritten Gesichtspunkt,
oder der dritten Ausführungsform,
ist das Fluidverteilrohr mit der eingeführten Muffe in dem Stapel aufgenommen.
Somit wird die zur Fluidverteilrichtung gerichtete Oberfläche zur
Innenfläche
der Muffe, welche glatt ist. In dieser Konfiguration werden dieselben
Abläufe
und Wirkungen hinsichtlich der Oberflächenglättung verwirklicht, wie sie
durch Entfernen der Vorstände
und Vertiefungen der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit nach dem Stapeln der Zellen erreicht werden.
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Weiterhin schließt ein Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle
gemäß einem
vierten Gesichtspunkt der Erfindung einen ersten Schritt des Stapelns
und Fixierens einer Vielzahl von Zellen mit Separatoren ein, um
so eine Stapelzelleneinheit zu bilden, und einen zweiten Schritt
des Ausführens
einer Oberflächenglättung einer
Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit, die aus einer Seitenfläche von jeder
der Separatoren der Stapelzelleneinheit gebildet ist.
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Gemäß dem vierten Gesichtspunkt
der Erfindung werden Vorstände
und Vertiefungen einer Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit nach dem Stapeln der Zellen entfernt.
Dementsprechend ist es möglich, die
Gasverteilung zu jeder Zelle unabhängig von Zellherstellungs-
oder Zusammensetzungsfehlern gleich zu gestalten.
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Außerdem kann das Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle
gemäß dem vierten
Gesichtspunkt so ausgestaltet sein, dass, in einem zweiten Schritt,
ein Bearbeitungswerkzeug mit der Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
in Kontakt gebracht wird, wobei die Oberflächenglättung der Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
dann durch Rotieren oder Hin- und Herbewegen dieses Bearbeitungswerkzeugs durchgeführt werden
kann.
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Eine Herstellungsvorrichtung für die Brennstoffzelle
nach einem fünften
Gesichtspunkt der Erfindung stapelt und befestigt eine Vielzahl
von Zellen mit Separatoren, um so eine Stapelzelleneinheit zu bilden
und führt
ein Oberflächenglätten einer
aus einer Seitenfläche
von jedem der Separatoren der Stapelzelleneinheit gebildeten Seitenfläche einer
Stapelzelleneinheit durch.
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Gemäß dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung
werden Vorstände
und Vertiefungen einer Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit nach dem Stapeln der Zellen entfernt.
Dementsprechend ist es möglich, die
Gasverteilung zu jeder Zelle unabhängig von Zellherstellungs-
oder Zusammensetzungsfehlern gleich zu gestalten.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Verteilrohrs für ein Fluid und eines Abschnitts
eines Stapels in dessen Nähe
in einer erfindungsgemäßen Stapel-Brennstoffzelle;
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2 ist
eine Querschnittsansicht vor der Durchführung eines Prozesses der Oberflächenglättung eines
Abschnitts einer Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit und des Abschnitts des Stapels in deren
Nähe in
einer erfindungsgemäßen Stapel-Brennstoffzelle;
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3 ist
eine Querschnittsansicht nach Durchführung des Oberflächenglättens des
Abschnitts der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit und der Abschnitt des Stapels in der Nähe derselben
in der erfindungsgemäßen Stapel-Brennstoffzelle;
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4 ist
eine Querschnittsansicht des Stapelabschnitts in dem Fall, dass
eine Muffe in das Fluidverteilrohr der erfindungsgemäßen Stapel-Brennstoffzelle
eingeführt
worden ist;
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5 ist
eine Querschnittsansicht des Stapelabschnitts in dem Fall, dass
der Prozess des Oberflächenglättens und
ein Prozess der Ausbildung einer Kegelform am Fluidverteilrohr der
erfindungsgemäßen Stapel-Brennstoffzelle
durchgeführt
wurde;
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6 ist
eine Querschnittansicht eines Abschnitts des Separators in dem Fall,
dass ein Grat und eine Kerbe an den jeweiligen Endabschnitten des
Separators vorliegen (6 stellt
eine bildliche Wiedergabe vor der Durchführung des Oberflächenglättens dar);
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7 ist
eine Querschnittsansicht des Abschnitts der Separatoren in dem Fall,
dass ein Oberflächenglätten an
den jeweiligen Endabschnitten der Separatoren erfolgt ist;
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8 ist
eine graphische Auftragung, die einen Vergleich der Wasserverteilung
für die
in den 6 und 7 dargestellten Fälle zeigt;
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9 ist
eine Seitenansicht eines Stapels einer normalen Stapel-Brennstoffzelle;
und
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10 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Stapels der normalen
Brennstoffzelle.
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Nachfolgend wird eine Stapel-Brennstoffzelle,
ein Herstellungsverfahren für
die Stapel-Brennstoffzelle
und eine Vorrichtung zur Herstellung derselben unter Bezugnahme
auf die 1 bis 10 erläutert. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle
ist zur Anwendung als Niedertemperaturbrennstoffzelle gedacht, wie
eine Hochpolymer-Feststoff-Brennstoffzelle 10 (nachfolgend
als "Brennstoffzelle 10'' bezeichnet), die in 9 dargestellt ist. Die Brennstoffzelle 10 kann
z.B. in einem Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet sein. Die Brennstoffzelle 10 kann
jedoch auch für
andere als diese Anwendungen verwendet werden.
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Die Brennstoffzelle 10 ist,
wie in den 9 und 10 dargestellt, aus einer
beschichteten Einheit, einschließlich einer Membranelektrodenanordnung (nachfolgend
als "MEA" bezeichnet) und
Separatoren 18 aufgebaut. Die MEA ist aus einer Elektrolytmembran 11,
die aus einer Ionenaustauschmembran gebildet ist, einer Elektrode
(einer Anode, Brennstoffelektrode) 14, die aus einer auf
einer Oberfläche
der Elektrolytmembran 11 abgeschiedenen katalytischen Schicht
gebildet ist, und einer Elektrode (einer Kathode, Luftelektrode) 17 aufgebaut,
die aus einer auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 11 abgeschiedenen
katalytischen Schicht 15 gebildet ist. Die jeweiligen Diffusionsschichten 13 und 16 sind
auf der Anodenseite und der Kathodenseite zwischen der MEA und den
jeweiligen Separatoren 18 angeordnet. Eine Zelle 19 ist
durch Schichten der MEA und der Separatoren 18 ausgebildet
und ein Modul wird aus wenigstens einer der Zellen 19 gebildet.
Dann wird eine Stapelzelleneinheit durch Stapeln von Modulen gebildet.
Schließlich
wird ein Stapel 23 durch Positionieren entsprechender Anschlüsse 20,
Isolatoren 21 und Endplatten 22 an jedem Ende
in Zellstapelrichtung (der Richtung der Dicke der Zellen) der Stapelzelleneinheit
gebildet, Anziehen der Stapelzelleneinheit in der Zellstapelrichtung
und Befestigen eines Befestigungselements (z.B. einer Spannplatte 24) unter
Verwendung von Bolzen und Muttern 25, wobei sich die Spannplatte
von der Außenseite
der Stapelzelleneinheit in Zellstapelrichtung erstreckt.
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Die Separatoren sind gebildet von
einem von Kohlenstoff, Methanol, Methanol und Harz, oder leitfähigem Harz,
oder alternativ aus einer Kombination dieser Materialien. In den
in den Figuren dargestellten Bildern sind die Separatoren 18 aus
Kohlenstoff hergestellt. Die Separatoren 18 sind jedoch
nicht auf solche beschränkt,
die aus Kohlenstoff hergestellt sind. Ein Brennstoffgasdurchtritt 27 der
ein Brennstoffgas (Wasserstoff) zu der Anode 14 führt, und
ein Sauerstoffgasdurchtritt 28, der Sauerstoffgas (Sauerstoff,
oder normalerweise Luft) zu der Kathode 17 führt, sind
in den jeweiligen Separatoren 18 ausgebildet. Das Brennstoffgas
und das Sauerstoffgas sind beides Reaktionsgase. Ferner ist ein
Kühlmitteldurchtritt 26,
der Kühlmittel
(normalerweise Kühlwasser)
den Separatoren 18 zuführt,
auch in den Separatoren 18 ausgebildet. Ein Kühlmitteldurchtritt 26 ist für jede einer
Vielzahl von Zellen 19 (zum Beispiel einer für jedes
Modul) vorgesehen. Der Brennstoffgasdurchtritt 27, der
Sauerstoffgasdurchtritt 28 und der Kühlmitteldurchtritt 26 bilden
jeweils innere Fluiddurchtritte innerhalb der Oberfläche der
Zelle 19.
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Wie in 1 dargestellt,
sind ein Kühlmittelverteilrohr 29,
ein Brennstoffgasverteilrohr 30 und ein Sauerstoffgasverteilrohr 31 in
den Separatoren 18 ausgebildet, die einen Teil der jeweiligen
Zelle 19 bilden, so dass sie in Zellstapelrichtung durch
die Separatoren 18 verlaufen. (Es ist anzumerken, dass,
zur Erleichterung der Erklärung,
die drei Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 als
ein Durchtritt dargestellt sind. In Realität ist jedes Fluidverteilrohr 29, 30 und 31 jedoch getrennt
ausgebildet). Das Kühlmittelverteilrohr 29, das
Brennstoffgasverteilrohr 30 und das Sauerstoffgasverteilrohr 31 bilden
ein Fluidverteilrohr, das innerhalb des Stapels 23 ausgebildet
ist. Das Fluidverteilrohr wird von einem einströmseitigen Fluidverteilrohr
und einem ausströmseitigen
Fluidverteilrohr gebildet. Das Kühlmittel
wird von dem einströmseitigen Kühlmittelverteilrohr 29 zu
dem ausflussseitigem Kühlmittelverteilrohr 29 über den
Kühlmitteldurchtritt 26 innerhalb
der Zelle 19 geführt.
Das Brennstoffgas wird von dem einströmseitigen Brennstoffgasverteilrohr 30 über den
Brennstoffgasdurchtritt 27 innerhalb der Zelle 19 zu
dem ausströmseitigen
Brennstoffgasverteilrohr 30 geführt. Das Sauerstoffgas wird
von dem einströmseitigen
Sauerstoffgasverteilrohr 31 über den Sauerstoffgasdurchtritt 29 innerhalb
der Zelle 19 zu dem ausströmseitigen Sauerstoffgasverteilrohr 31 geführt.
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Darüber hinaus wird, wie in 10 dargestellt, ein Haftmittel 34 verwendet,
um den Umfangsbereich des Stromerzeugungsgebiets zwischen den Separatoren 18,
die einander zugewandt sind, wobei sich die Elektrolytschicht 11 im
Sandwich zwischen ihnen befindet, abzudichten. Eine Dichtung 35 dichtet die
Zellen 19 voneinander ab und die Module jeweils auch. Das
Haftmittel 34 ist zunächst
in einem flüssigen
Zustand wenn es angewendet wird, aber wenn es erhitzt wird oder
für einen
vorbestimmten Zeitraum (z.B. 24 Stunden) stehengelassen wird, wird
das Haftmittel 34 hart.
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Die Brennstoffzelle 10 wird
durch Stapeln einer Vielzahl der mit den Separatoren 18 versehenen Zellen 19 hergestellt.
Wie in 3 dargestellt,
besitzt die Brennstoffzelle 10 nachdem Stapeln der Zellen 19 eine
Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit 32 (welche einer Seitenfläche an einem
Endabschnitt der Zellen 19 in orthogonaler Richtung zur
Zellstapelrichtung entspricht; diese Seitenfläche ist auf einen Zwischenraum
gerichtet). Im Fall des inneren Fluidverteilrohrs, nämlich, wenn
das Fluidverteilrohr 29, 30 und 31 innerhalb
des Stapels 23 angeordnet ist, kann diese Seitenfläche einer
Stapelzelleneinheit eine Innenfläche
(entsprechend einer Seitenfläche einer
Stapelzelleneinheit, die zum inneren Fluidverteilrohr gerichtet
ist) des inneren Fluidverteilrohrs des Stapels 23 sein.
Weiterhin kann, in dem Fall, dass ein Fluidverteilrohr als äußeres Verteilrohr
außerhalb des
Stapels 23 angeordnet ist, die Seitenfläche der Stapelzelleneinheit
eine äußere Seitenfläche des Stapels 23 sein.
Wie in 2 dargestellt,
ist die Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit 32 ohne Durchführen einer
Oberflächenglättung nach
dem Stapeln der Zellen 19 normalerweise uneben und besitzt Überstände und
Vertiefungen. Erfindungsgemäß wird jedoch
ein Oberflächenglätten nach
dem Stapeln der Zellen 19 übereinander durchgeführt. Somit wird
die Seitenfläche
einer Stapelzelleneinheit 32 zu einer ebenen, geglätteten Oberfläche. Im
Fall des inneren Fluidverteilrohrs ist die Seitenfläche einer
Stapelzelleneinheit 32, an welcher das Oberflächenglätten durchgeführt wird,
die Innenfläche
der Einströmseiten
der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31.
In diesem Fall ist anzumerken, dass das Oberflächenglätten auch an der Innenfläche der
Ausströmseiten
der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 durchgeführt werden kann.
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In dem Fall, dass die Seitenfläche einer
Stapelzelleneinheit 32, welche oberflächengeglättet ist, die Innenfläche des
Fluidverteilrohrs 29, 30 und 31 ist,
ist die Oberfläche
der gestapelten Separatoren 18, die der Innenfläche der
Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 entgegengerichtet
ist und die geglättet
wurde eine glattere Oberfläche
als die Außenfläche der
gestapelten Separatoren 18 der Stapelzelleneinheit, die nicht
geglättet
wurde.
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Wenn die Separatoren 18 in
einem gestapelten Zustand festgelegt sind, wird das Haftmittel 34, das
die Separatoren 18 bindet, zwischen die Separatoren 18 eingebracht.
Wenn das Oberflächenglätten an
der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit 32 durchgeführt wird, werden jegliche Abschnitte
des Haftmittels 34, die von den Separatoren 18 überstehen, auch
und zur selben Zeit einer Oberflächenglättung unterworfen
wie die Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit 32. Dementsprechend werden von
dem Haftmittel 34 resultierende Unebenheiten ebenfalls
entfernt.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besitzt
die aus einer Vielzahl der gestapelten Zellen 19 mit den
Separatoren 18 hergestellten Brennstoffzelle
10 eine
in die Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 eingeführte Muffe 33.
Durch Einbeziehen der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 zusammen mit
der eingeführten
Muffe 33 in den Stapel 32 wird die zu den Fluidverteilrohren 29, 30 und 31 gerichtete Oberfläche eine
Innenfläche
der Muffe 33, welche glatt ist. Es ist anzumerken, dass
die Muffe 33 mit perforierten Löchern versehen ist, so dass
ein Fluid frei hindurchtreten kann. Darüber hinaus ist die Muffe 33 aus
einem Material hergestellt werden, zum Beispiel Harz, das elektrisch
isolierende Eigenschaften besitzt, so dass die jeweiligen Paare
der Separatoren 11, mit der im Sandwich dazwischen angeordneten MEA,
nicht elektrisch leitend sind.
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In der in 5 dargestellten Ausführungsform ist die Seitenfläche der
Stapelzelleneinheit 32, welche zu den Fluidverteilrohren 29, 30 und 31 gerichtet
ist und welche einer Oberflächenglättung zu unterziehen
ist, so gearbeitet, dass sie eine Kegelform aufweist, die sich in
stromabwärtiger
Richtung der Einströmseite
der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 (welches
einer Innenseite einer Stapelschichtrichtung entspricht, wenn von
einer Fluidflussrichtung aus gesehen) verengt, so dass eine Querschnittsfläche des
Fluidverteilrohrdurchtritts 29, 30 und 31 kleiner
wird. Das Kegelförmigmachen
dieser Innenfläche der
Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 wird
zur selben Zeit wie das Oberflächenglätten durchgeführt.
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Ein Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle 10,
bei dem die Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit 32 oberflächengeglättet wird, schließt die folgenden
Schritte ein: in Schritt 1 werden zwei oder mehr der Zellen 19 einschließlich der
Separatoren 18 gestapelt und fixiert, um so eine Stapelzelleneinheit zu
bilden; nachfolgend zu diesem wird in Schritt 2 der Prozess des
Oberflächenglättens auf
der durch die Seitenflächen
der Stapelzelleneinheit 32 von jeder der gestapelten Separatoren 18 der
Stapelzelleneinheit gebildeten Oberfläche durchgeführt. Der
Prozess des Oberflächenglättens wird
zum Beispiel durch Stapeln einer Vielzahl der Zellen 19 (z.B.
100 Schichten), Einführen
eines Bearbeitungswerkzeugs in die Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 und
Bearbeiten der Innenfläche
der Separatoren 18 durch Rotieren des Bearbeitungswerkzeugs
unter gleichzeitiger Unterstützung
desselben von beiden Enden, oder, alternativ, durch Hin- und Herbewegen
des Bearbeitungswerkzeugs durchgeführt.
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Des weiteren umfasst eine Herstellungsvorrichtung
für die
Brennstoffzelle 10, in welcher die Seitenfläche der
Stapelzelleneinheit 32 oberflächengeglättet ist, eine erste Einheit,
welche zwei oder mehr der Zellen 19 einschließlich der
Separatoren 18 stapelt und fixiert, um so eine Stapelzelleneinheit
zu bilden, und eine zweite Einheit, die die von den Seitenflächen der
Stapelzelleneinheit 32 von jeder der gestapelten Separatoren 18 der
Stapelzelleneinheit gebildeten Oberfläche glättet. Diese Herstellungsvorrichtung
kann zu einer Stapelmontageeinrichtung zusammengesetzt sein. Alternativ
kann die Herstellungsvorrichtung zu einer separaten Stapelmontageeinrichtung
zusammengesetzt sein und der Stapel 23 kann auf seiner
Stapelmontageeinrichtung zu der Herstellungsvorrichtung bewegt werden,
welche den Prozess des Oberflächenglättens durchführt.
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Als nächstes wird der Betrieb der
erfindungsgemäßen Stapel-Brennstoffzelle 10,
die Durchführung
des Herstellungsverfahrens und die Vorrichtung für das Herstellungsverfahren
derselben erläutert. Bei
der Stapel-Brennstoffzelle 10, den Herstellungsverfahren
und mittels der Vorrichtung zur Herstellung derselben werden die Überstände und
Vertiefungen der Seitenfläche 32 der
Stapelzelleneinheit nach dem Stapeln der Zellen 19 entfernt.
Dementsprechend ist es möglich
die Gasverteilung zu jeder Zelle 19 unabhängig von
Zellherstellungs- oder Zusammensetzungsfehlern gleich zu gestalten.
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Eine Untersuchung betreffend dem
Unterschied bei der elektrischen Stromerzeugungsleistung im Betrieb
der Brennstoffzelle in dem Fall, dass die Zelle 19 der
Brennstoffzelle 10 einen Grat 100 und eine Kerbe 101 aufweisen,
wie in 6 dargestellt, und
dem Fall, dass die Innenflächen
der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 nach
der Montage des Stapels 23 oberflächengeglättet sind, wurde durchgeführt. Der
Unterschied in der Gasflussrate wird durch den Wassergehalt innerhalb
der Zellen 19 beeinflusst. Dementsprechend wurden die jeweiligen
Wassergehalte der Zellen 19 im Zustand der 6 und 7 ermittelt.
Die Ergebnisse sind in 8 dargestellt;
wie zu sehen wurde bestätigt,
dass der Wassergehalt innerhalb der Zellen 19 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10 gleich
ist. Genauer, im Fall dass Überstände und
Vertiefungen vorliegen, ist der Wassergehalt groß und die Gasmenge gering.
In dem Fall, dass jedoch keine Überstände und
Vertiefungen vorhanden sind (wenn ein Oberflächenglätten durchgeführt wurde),
ist die Wasserverteilung gleich. Als ein Ergebnis ist die Verteilung
der Gasmenge gleich. Dementsprechend ist offensichtlich, dass ein
Oberflächenglätten der
Innenfläche
der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 in
einer Verringerung der Störung
des Gases resultiert und in einer Verbesserung der Verteilungsleistung.
Der oben beschriebene Betrieb und die Wirkungen können auch
im Fall der äußeren Verteilrohre
realisiert werden.
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Das die Separatoren 18 bindende
Haftmittel 34 wird zusammen mit der Seitenfläche der
Stapelzelleneinheit 32 geglättet. Dementsprechend werden,
sogar wenn Abschnitte des Haftmittels 34 aus der Seitenfläche der
Stapelzelleneinheit 32 nach dem Stapeln der Zellen und
vor der Durchführung des
Oberflächenglättens hervorstehen,
diese Abschnitte des Haftmittels 34 während des Oberflächenglättens entfernt.
Als ein Ergebnis wird die Seitenfläche der Stapelzelleneinheit 32 geglättet und
es ist möglich,
die Gasverteilung zu jeder Zelle 19 unabhängig von
Fehlern bei der Zellherstellung oder deren Montage gleich zu gestalten.
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Bei der in 4 dargestellte Stapel-Brennstoffzelle 10 ist
die Muffe 33 in die Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 eingeführt. Durch
Einbeziehen der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 mit
der eingeführten
Muffe 33 in den Stapel 32 wird die zu den Fluidverteilrohren 29, 30 und 31 gerichtete
Oberfläche
zur Innenfläche
der Muffe 33, welche glatt ist. Diese Konfiguration realisiert
denselben Betrieb und dieselben Wirkungen hinsichtlich des Oberflächenglättens und
des Angleichens der Gasverteilung zu jeder Zelle 19, wie sie
durch Entfernen der Überstände und
Vertiefungen der Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit 32 nach dem Stapeln der Zellen 19 erzielt
werden.
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Bei der in 5 dargestellten Stapel-Brennstoffzelle 10 ist
die zu den Fluidverteilrohren 29, 30 und 31 gerichtete
Seitenfläche
der Stapelzelleneinheit 32 in Kegelform gearbeitet. Durch
Bildung dieser Kegelform während
des Oberflächenglättens ist
es möglich,
das Problem der Verringerung der Gasflussrate stromab der Fluidverteilrohre 29, 30 und 31 durch
einfaches Ausführen
des Oberflächenglättens anzusprechen.
Somit ist es nicht erforderlich eine Bearbeitung mehrere Male zu
wiederholen.