DE112005002339B4

DE112005002339B4 - Einzelzelle und Verfahren zum Herstellen einer Einzelzelle; Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112005002339B4
Application number: DE112005002339T
Authority: DE
Inventors: Akira Shimizu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2006092924A; JP4771271B2; DE112005002339B8; CN101027806A; DE112005002339T5; CN101027806B; US20140349217A1; WO2006033374A1; US20080102344A1

Abstract

Einzelzelle (2) einer Brennstoffzelle (1), wobei die Einzelzelle eine gestapelte Mehrzahl von Komponenten aufweist, die eine Membran-Elektrode-Anordnung, MEA, (11) und zwei Separatoren (12a, 12b), welche die MEA zwischen sich aufnehmen und hierin ausgebildete Fluidwege (41–43, 51–53, 61–66) aufweisen, umfassen, die MEA (11) und die Separatoren (12a, 12b) durch integrales Vergiessen der äußeren Randabschnitte der MEA und der äußeren Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit einem Harz integral miteinander verbunden sind, äußere Randabschnitte der MEA entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt sind, äußere Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt sind, die Fluidwege derart konfiguriert sind, dass ein Maskierungselement (81, 91) zum Verhindern eines Fließens des Harzes in den Fluidweg zu der Zeit eines Gießens in dem Fluidweg angeordnet werden kann, ein Dichtungselement (13a, 13b, 101a, 101b) jeweils zwischen der MEA und dem jeweiligen Separator angeordnet ist, um zwischen der MEA und dem Separator abzudichten, wobei die MEA und die Separatoren mit dem vergossenen Harz integral mit einer äußeren Randoberfläche des Dichtungselements verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einzelzelle, welche eine kleinste Energie erzeugende Einheit in einer Brennstoffzelle ist, und betrifft insbesondere eine Einzelzelle, die durch Stapeln von eine Einzelzelle bildenden Komponenten ausgebildet ist, ein Herstellungsverfahren der Einzelzelle, eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle.
Im Allgemeinen ist eine Einzelzelle eines Polymerelektrolyttyps mit einer MEA (Membran-Elektrode-Anordnung), welche aus einer Elektrolytmembran und einem Paar von auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden besteht, und einem Paar von die MEA hierzwischen aufnehmenden Separatoren konfiguriert und weist insgesamt eine gestapelte Konfiguration auf (vgl. z. B. JP 2003 086229 A (Seite 3 und 2)). Die Einzelzelle erzeugt Energie, wenn ein Oxidationsgas und ein Brenngas den jeweiligen Elektroden durch in den entsprechenden Separatoren ausgebildete Gasströmungswege zugeführt werden. Eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur weist eine gestapelte Mehrzahl von Einzelzellen auf. Beim Herstellen der Einzelzelle in der JP 2003 086229 A wird ein Klebstoff an vorgeschriebenen Positionen auf die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Separatoren aufgebracht, um die Separatoren mit dem Klebstoff zu befestigen.
Eine andere Einzelzelle, welche eine Konfiguration aufweist, die sich von der vorstehend beschriebenen gestapelten Konfiguration unterscheidet, ist ebenfalls bekannt (vgl. z. B. JP 2004 006419 A (Seite 6 und 1)). Diese Einzelzelle weist ein Elektrolytmembranbauteil auf, welches mit einer MEA und einem Paar von Rahmen einer Rahmenform, welche den Randabschnitt der Elektrolytmembran des MEA hierzwischen einschließen, ausgebildet ist. Eine Kollektorplatte, die mit Gasströmungswegen versehen ist, ist auf jeder Seite des Elektrolytmembranbauteils angeordnet, und ein Separator ist auf der Außenseite jeder Kollektorplatte angeordnet. In dem Fall, dass eine Einzelzelle durch Integrieren dieser Komponenten ausgebildet wird, wird ebenfalls ein Klebstoff zwischen dem Rahmen und dem Randabschnitt der Elektrolytmembran wie auch zwischen dem Rahmen und dem Separator verwendet.
Wenn wie in dem Fall des herkömmlichen Herstellungsverfahrens einer Einzelzelle ein Klebstoff verwendet wird, um die Komponenten zu verbinden, wird hierfür Binde- bzw. Erstarrungszeit benötigt. Es dauert eine lange Zeit, bis die Komponenten zuverlässig verbunden sind, was es schwierig macht, die Produktivität der Einzelzelle zu verbessern. Das gleiche Problem würde sich ergeben, wenn die Einzelzellen zu einem Stapel angeordnet werden.
In der DE 197 13 250 C2 ist eine Brennstoffzelle offenbart, die Membran-Elektroden-Anordnungen MEAs aufweist, die zwischen die Zellen separierenden Platten angeordnet sind. Die äußeren peripheren Oberflächen der Membranen können durch ein Verbundmaterial abgedeckt sein. Weiterhin können die zellseparierenden Platten und die Elektroden der MEAs durch Klebmittel fixiert sein. 5b) dieser Druckschrift zeigt eine Darstellung eines resultierenden Stapels, der solche Klebstoffkomponenten und eine periphere Schicht aufweist. Die Schichten sind in unterschiedlicher Form dargestellt und weisen ferner klare Grenzlinien zwischen sich auf. Die für diese Teile verwendeten Materialien unterscheiden sich also voneinander und sind nicht unter Verwendung desselben Materials integral verbunden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einzelzelle, welche eine geeignete Verbindung der Komponenten sicherstellt und zugleich in geeigneter Weise die Produktivität verbessert, eine Brennstoffzelle, sowie Herstellungsverfahren zur Herstellung der Einzelzelle und der Brennstoffzelle bereitzustellen.
Mit der Erfindung wird eine Einzelzelle gemäß dem Patentanspruch 1 geschaffen.
Des weiteren wird eine Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch 10 definiert.
Weiterhin werden Verfahren zum Herstellen einer Einzelzelle oder einer Brennstoffzelle gemäß dem Patentanspruch 11 bzw. 15 bereit gestellt.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Einzelzelle ist eine gestapelte Mehrzahl von Komponenten vorgesehen. Die Mehrzahl der Komponenten umfasst eine MEA und ein Paar von die MEA hierzwischen aufnehmenden Separatoren. Randabschnitte der MEA und jeder der Separatoren sind entlang ihres Umfangs mit einem Harz vergossen, um integral verbunden zu sein.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die drei Komponenten der MEA und des Paars der Separatoren gleichzeitig (z. B. in einem Gießschritt) zu verbinden. Da ferner die Verbindung durch Vergießen mit einem Harz ausgeführt ist, ist es möglich, die Komponenten schnell und in geeigneter Weise zu verbinden. Dies kann die zum Herstellen der Einzelzelle erforderliche Zeit im Vergleich mit dem Fall eines Verwendens des Klebstoffs um die Klebstoff-Erstarrungszeit verkürzen und kann daher die Produktivität der Einzelzelle verbessern bzw. erhöhen. Da des Weiteren die Randabschnitte der Komponenten vergossen sind, kann das Abdichtungsvermögen zwischen den Komponenten durch das Harz sichergestellt werden.
Hierbei ist die Brennstoffzelle nicht auf eine Brennstoffzelle vom Polymerelektrolyttyp, der für ein Brennstoffzellenfahrzeug geeignet ist, beschränkt, sondern kann von anderer Art sein wie etwa eine Brennstoffzelle vom Phosphorsäuretyp. Die Mehrzahl von Komponenten, welche die Brennstoffzelle bilden, umfassen im Allgemeinen eine MEA, die z. B. aus einer Elektrolytmembran und Elektroden hergestellt ist, wie nachstehend beschrieben werden wird, und Separatoren. In dem Fall der Konfiguration wie in der vorstehend beschriebenen JP 2004 006419 A ist jedoch auch das rahmenförmige Bauteil in den die Einzelzelle bildenden Komponenten enthalten.
Bei der Einzelzelle ist ein Abdichtungsbauteil bzw. Dichtungselement zwischen der MEA und jedem der Separatoren vorgesehen, um zwischen der MEA und dem entsprechenden Separator abzudichten, und sind die Randabschnitte der MEA und jedes der Separatoren mit dem Harz vergossen, um integral mit einer äußeren Randoberfläche des entsprechenden Dichtungselements verbunden zu sein.
Mit dieser Konfiguration kann das Fließen des Harzes nach innerhalb der Einzelzelle (nach innen zwischen den Separator und die MEA) während des Gießens durch das Dichtungselement verhindert werden. Nach dem Gießen wirkt das Dichtungselement mit dem vergossenen Harz zusammen, um zwischen der MEA und jedem der Separatoren in geeigneter Weise abzudichten. Vorzugsweise ist jeder Separator mit einem Beschränkungsabschnitt versehen, welcher die Bewegung des Dichtungselements zu der Zeit des Gießens beschränkt. Ferner weist die Elektrolytmembran der MEA vorzugsweise eine Fläche auf, die größer als diejenige eines auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran vorgesehenen Paars von Elektroden ist, und dichtet jedes Dichtungselement direkt zwischen dem Randabschnitt der Elektrolytmembran auf einer Außenseite der Elektrode und dem entsprechenden Separator ab.
Gemäß einer Ausführungsform der Einzelzelle der vorliegenden Erfindung befindet sich das Dichtungselement von einem Strömungswegabschnitt des Separators entfernt. Des Weiteren weist die Einzelzelle vorzugsweise einen Energieerzeugungsbereich und einen Bereich ohne Energieerzeugung in einer Ebene auf, wobei das Dichtungselement in dem Bereich ohne Energieerzeugung vorgesehen ist. Der Randabschnitt des Bereichs ohne Energieerzeugung kann mit einem Harz entlang der Umfangsrichtung vergossen sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Einzelzelle kann das Dichtungselement ein Hauptabdichtungsteil, das alle ein erstes Fluid betreffenden Strömungswege des Separators kontinuierlich umgibt, und eine Mehrzahl von Unter- bzw. Hilfsabdichtungsteilen auf, welche die ein sich von dem ersten Fluid unterscheidendes Fluid betreffenden Strömungswege des Separators umgeben, umfassen.
Bei einer Ausgestaltung der Einzelzelle ist ein Fluidweg, der sich wenigstens auf einer Außenseite des Dichtungselements befindet, derart konfiguriert, dass ein Maskierungsbauteil bzw. Maskierungselement zum Verhindern eines Fließens des Harzes in den Weg zu der Zeit eines Gießens in dem Weg angeordnet sein kann.
Die Brennstoffzelle kann ein Dichtungselement aufweisen, das zwischen wenigstens einigen der Komponenten vorgesehen ist, um zwischen den Komponenten abzudichten. Randabschnitte der Komponenten, welche das Dichtungselement zwischen sich aufnehmen, sind in einem Zustand, in welchem ein Maskierungselement in einem sich wenigstens auf einer Außenseite des Dichtungselements befindenden Fluidweg angeordnet ist, entlang einer Umfangsrichtung mit einem Harz vergossen, um mit einer äußeren Randoberfläche des Dichtungselements integral verbunden zu sein.
Mit diesen Konfigurationen wird eine Verbindung zwischen den Komponenten durch Vergießen mit einem Harz ausgeführt, sodass es möglich ist, die Komponenten schnell und in geeigneter Weise zu verbinden und so die Produktivität der Einzelzelle zu verbessern. Zu der Zeit des Gießens kann das Dichtungselement verhindern, dass das Harz nach innen zwischen die Komponenten fließt. Des weiteren kann zum Verhindern, dass das Harz zu der Zeit des Gießens in den auf der Außenseite des Dichtungselements angeordneten Fluidweg fließen kann, ein Maskierungselement auf das Gießen hin wie vorstehend beschrieben angeordnet sein, was es ermöglicht, den Fluidweg in geeigneter und einfacher Weise zu sichern. Des weiteren wirkt das Dichtungselement nach dem Gießen mit dem vergossenen Harz zusammen, um zwischen den Komponenten in geeigneter Weise abzudichten.
Gemäß einer Ausführungsform der Einzelzelle sind vorzugsweise wenigstens einige Komponenten, welche das Dichtungselement zwischen sich aufnehmen, ein Separator und eine MEA, und es ist der Strömungsweg, in welchem das Maskierungselement angeordnet ist, ein Verteilerabschnitt für ein Fluid, der in dem Separator ausgebildet ist.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die MEA und den Separator zusammen mit dem Dichtungselement schnell und in geeigneter Weise zu verbinden, und ist es auch möglich zu verhindern, dass das Harz zu der Zeit eines Gießens in den Verteilerabschnitt fließt. Dies stellt sicher, dass die Gase wie etwa das Brenngas und das Oxidationsgas der MEA über die Verteilerabschnitte in geeigneter Weise zugeführt werden können und dass das Kühlmedium wie etwa das Kühlmittel der Einzelzelle über die Verteilerabschnitte zugeführt werden kann.
Gleichermaßen umfassen gemäß einer Ausführungsform der Einzelzelle die wenigstens einigen Komponenten, die das Dichtungselement zwischen sich aufnehmen, einen Separator und eine MEA und es ist der Separator mit einem Gasströmungsweg, der einer Elektrode der MEA gegenüberliegt; einem einlass-seitigen Verteilerabschnitt zum Einleiten eines Fluids in den Gasströmungsweg; einem einlass-seitigen Verbindungsweg, welcher den Gasströmungsweg mit dem einlassseitigen Verteilerabschnitt verbindet; einem auslass-seitigen Verteilerabschnitt zum Ablassen des Fluids aus dem Gasströmungsweg; und einem auslass-seitigen Verbindungsweg versehen, welcher den Gasströmungsweg mit dem auslass-seitigen Verteilerabschnitt verbindet. Des weiteren entspricht der Fluidweg, in welchem das Maskierungselement angeordnet ist, vorzugsweise dem einlass-seitigen Verbindungsweg und dem auslass-seitigen Verbindungsweg.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich zu verhindern, dass das Harz zu der Zeit des Gießens in den einlass-seitigen Verbindungsweg und den einlass-seitigen Verbindungsweg fließt, und, ebenso wie vorstehend beschrieben, das Brenngas und das Oxidationsgas in geeigneter Weise der MEA zuzuführen.
Der Gasströmungsweg kann mit einem geraden Strömungsweg konfiguriert sein oder kann mit einem schlangenlinienförmigen Strömungsweg konfiguriert sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Einzelzelle der vorliegenden Erfindung kann die MEA eine Elektrolytmembran und ein Paar auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran angeordneter Elektroden aufweisen und kann das Dichtungselement zwischen einem Randabschnitt der Elektrolytmembran und dem Separator abdichten.
Gemäß einer Ausführungsform der Einzelzelle der vorliegenden Erfindung kann der Separator einen Beschränkungsabschnitt aufweisen, welcher eine Einwärtsbewegung des Dichtungselements beschränkt.
Des Weiteren kann die Einzelzelle wie folgt konfiguriert sein.
Wie ausgeführt, weist die Einzelzelle eine gestapelte Mehrzahl von eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle bildenden Komponenten auf, wobei Randabschnitte wenigstens einiger Komponenten unter der Mehrzahl von Komponenten mit einem Harz entlang einer Umfangsrichtung vergossen sind, um integral verbunden zu sein.
Mit dieser Konfiguration wird die Verbindung zwischen den Komponenten durch Vergießen mit einem Harz ausgeführt, sodass es möglich ist, die Komponenten schnell und in geeigneter Weise zu verbinden. Dies kann die zum Herstellen der Einzelzelle erforderliche Zeit im Vergleich mit dem Fall einer Verwendung des Klebstoffs um die Erstarrungszeit des Klebstoffs verkürzen und kann so die Produktivität der Einzelzelle verbessern. Da des Weiteren die Randabschnitte der Komponenten vergossen sind, kann das Abdichtungsvermögen zwischen den Komponenten durch das Harz sichergestellt werden.
In dem Fall der Konfiguration wie in der vorstehend beschriebenen JP 2004 006419 A kann die Mehrzahl der die Einzelzelle bildenden Komponenten auch ein rahmenförmiges Bauteil umfassen.
Mit dem Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Einzelzelle werden eine Mehrzahl von Komponenten gestapelt, um die Einzelzelle eine Brennstoffzelle auszubilden. Das Verfahren weist einen Gießschritt eines Vergießens von Randabschnitten wenigstens einiger Komponenten unter der Mehrzahl von Komponenten mit einem Harz entlang einer Umfangsrichtung, um integral verbunden zu werden, auf. Der Gießschritt wird durch integrales Verbinden einer MEA und eines Paars von die MEA zwischen sich aufnehmenden Separatoren implementiert, wobei die Separatoren jeweils einen Fluidweg hierin ausgebildet aufweisen.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die drei Komponenten der MEA und des Paars der Separatoren gleichzeitig zu verbinden. Da ferner das Verbinden durch Vergießen mit einem Harz ausgeführt wird, ist es möglich, die Komponenten schnell und in geeigneter Weise zu verbinden. Dies kann die zum Herstellen der Einzelzelle erforderliche Zeit im Vergleich mit dem Fall eines Verwendens eines Klebstoffs zum Verbinden verkürzen und kann so die Produktivität verbessern.
Der Gießschritt wird in einem Zustand ausgeführt, welcher ein Fließen des Harzes in den Fluidweg verhindert.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, den Fluidweg in geeigneter und einfacher Weise nach dem Gießen sicherzustellen, wie es vorstehend beschrieben wurde.
Der Gießschritt wird in einem Zustand ausgeführt, in welchem ein Maskierungselement, welches ein Fließen des Harzes in den Fluidweg verhindert, in dem Fluidweg angeordnet ist. Das Verfahren weist weiter einen Entfernungsschritt eines Entfernens des Maskierungselements aus dem Fluidweg nach dem Gießschritt auf. Insbesondere ist des vorzuziehen, dass der Fluidweg, in welchem das Maskierungselement angeordnet ist, ein Verteilerabschnitt oder ein den Verteilerabschnitt mit einem einer Elektrode der MEA gegenüberliegenden Gasströmungsweg verbindender Verbindungsweg ist.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, mit einer einfachen Konfiguration, bei der das Maskierungselement in dem Weg angeordnet ist, zu verhindern, dass das Harz z. B. zu der Zeit eines Gießens in den Weg wie etwa den Verteilerabschnitt oder den Verbindungsweg fließt. Demgemäß ist es durch Entfernen des Maskierungselements nach dem Gießen möglich, eine Einzelzelle bereitzustellen, welche den Fluidweg in geeigneter Weise gesichert aufweist.
Gleichermaßen wird gemäß einer Ausführungsform der Gießschritt in einem Zustand ausgeführt, in welchem der Fluidweg von einem zwischen der MEA und dem Separator vorgesehenen Dichtungselement umgeben ist.
Mit dieser Konfiguration ist der Fluidweg von dem Dichtungselement umgeben, sodass das Fließen des Harzes in den Fluidweg vermieden werden kann. Demgemäß ist es möglich, den Fluidweg in geeigneter Weise zu sichern.
Die Brennstoffzelle ist durch Stapeln einer Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Einzelzellen ausgebildet, wobei Randabschnitte der Mehrzahl der Einzelzellen mit einem Harz entlang ihres Umfangs vergossen sind, um integral verbunden zu sein.
Bei dem Herstellungsverfahren zur Herstellung der Brennstoffzelle wird eine Mehrzahl von Einzelzellen gestapelt, um die Brennstoffzelle auszubilden, wobei das Verfahren aufweist: einen Gießschritt eines Vergießens von Umfangsabschnitten der Mehrzahl der Einzelzellen mit einem Harz in Umfangsrichtung, um integral verbunden zu werden.
Mit diesen Konfigurationen ist die Verbindung zwischen den Einzelzellen durch Vergießen mit einem Harz implementiert, sodass es möglich ist, die Einzelzellen schnell und in geeigneter Weise zu verbinden. Dies kann die zum Herstellen der Brennstoffzelle erforderliche Zeit im Vergleich mit dem Fall eines Verwendens eines Klebstoffs verkürzen und kann so die Produktivität der Brennstoffzelle verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gießschritt auch den Schritt eines Vergießens einer Mehrzahl von die Einzelzelle bildenden Komponenten mit dem Harz, um integral verbunden zu werden.
Mit dieser Konfiguration werden eine Mehrzahl von Einzelzellen in dem Zustand, in welchem sie in einem unverbundenen Zustand gestapelt sind, vergossen, anstatt die Einzelzelle in dem Zustand, in welchem alle der Mehrzahl der die Einzelzelle bildenden Komponenten verbunden sind, zu vergießen, und daher werden die Verbindung zwischen den Einzelzellen und die Verbindung zwischen den die Einzelzelle bildenden Komponenten gleichzeitig ausgeführt. Dies kann die zum Herstellen der Brennstoffzelle erforderliche Zeit weiter verkürzen.
Gemäß der Einzelzelle und dem Herstellungsverfahren der Einzelzelle ist es möglich, die Komponenten schnell zu verbinden und so die Produktivität in geeigneter Weise zu verbessern.
Gemäß der Brennstoffzelle und dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle ist es, wie vorstehend beschrieben, möglich, eine Mehrzahl von Einzelzellen schnell zu verbinden und so die Produktivität gleichermaßen in geeigneter Weise zu verbessern.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche eine Einzelzelle der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform in einem auseinandergenommenen Zustand zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform, welche ein Konfiguration zweier aneinander angrenzender Einzelzellen zeigt.
4 ist ein Diagramm ähnlich 2, welches ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
5 zeigt eine Konfiguration eines ersten Maskierungselements für einen Weg gemäß der ersten Ausführungsform, wobei der Zustand gezeigt ist, in welchem das erste Maskierungselement in einem Verbindungsweg eingesetzt ist.
6 zeigt eine Konfiguration eines zweiten Maskierungselements für einen Verteiler gemäß der ersten Ausführungsform, wobei der Zustand gezeigt ist, in welchem das zweite Maskierungselement durch Verteiler einer Mehrzahl von Einzelzellen eingesetzt ist.
7 ist ein Diagramm, welches einen Gießschritt des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform darstellt, wobei der Zustand gezeigt ist, in welchem Einzelzellen in einer Form angeordnet sind.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem auseinandergenommenen Zustand zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden. Diese Brennstoffzelle ist durch Stapeln einer Mehrzahl von Einzelzellen als den kleinsten Energie erzeugenden Einheiten ausgebildet, wobei Komponenten, welche die Einzelzelle bilden, wie auch die Einzelzellen durch Vergießen mit einem Harz integral verbunden sind, wodurch die Produktivitäten der Einzelzelle und der Brennstoffzelle verbessert sind. Nachstehend wird im Wege eines Beispiels eine Brennstoffzelle vom Polymerelektrolyttyp beschrieben werden, die zur Anbringung auf einem Fahrzeug geeignet ist.
[Erste Ausführungsform]
Wie in 1 gezeigt, weist eine Brennstoffzelle 1 einen Stapelkörper 3 mit einer Mehrzahl von eine auf der anderen gestapelten Einzelzellen 2 auf. Die Brennstoffzelle 1 weist weiter eine Kollektorplatte 6, die mit einem Ausgangsanschluss 5 versehen ist, eine Isolierplatte 7 und eine Endplatte 8 auf, die in dieser Reihenfolge auf der Außenseite jeder der Einzelzellen 2, 2, die sich an den jeweiligen Enden des Stapelkörpers 3 befinden, angeordnet sind. Die Brennstoffzelle 1 ist mit einer vorbestimmten Druckkraft in der Stapelrichtung der Einzelzellen 2 beaufschlagt, da eine nicht näher dargestellte Spannplatte, die über beiden Endplatten 8, 8 vorgesehen ist, mit jeder Endplatte 8, 8 verschraubt ist.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist eine Einzelzelle 2 mit einer MEA 11 und einem Paar von Separatoren 12a, 12b konfiguriert, welche die MEA 11 hierzwischen aufnehmen, und weist insgesamt eine gestapelte Konfiguration auf. Die MEA 11 und die Separatoren 12a, 12b sind Komponenten von näherungsweise ebener Form, wobei sie jeweils, in zwei Richtungen gesehen, eine rechteckige äußere Form aufweisen, wobei die äußere Form der MEA 11 geringfügig kleiner als die äußere Form jedes der Separatoren 12a, 12b hergestellt ist. Wie nachstehend im Einzelnen beschrieben werden wird, weisen die MEA 11 und jeder der Separatoren 12a, 12b ihre Umfangsabschnitte zusammen mit ersten Dichtungselementen 13a, 13b mit einem Gießharz 94 vergossen, auf.
Die MEA 11 ist mit einer Elektrolytmembran 21, welche eine Ionenaustauschmembran ist, die aus einem Polymermaterial hergestellt ist, und einem Paar von Elektroden 22a, 22b (Kathode und Anode), welche die Elektrolytmembran 21 von ihren gegenüberliegenden Seiten aus zwischen sich aufnehmen, konfiguriert und weist insgesamt eine gestapelte Konfiguration auf. Die Elektrolytmembran 21 ist geringfügig größer ausgeführt als jede der Elektroden 22a, 22b. Die Elektroden 22a, 22b sind z. B. durch Heißpressen mit der Elektrolytmembran 21 verbunden, wobei der Randabschnitt 24 der Elektrolytmembran 21 freigelassen wird.
Die Elektroden 22a, 22b sind jeweils z. B. mit einem porösen Carbonmaterial (Diffusionsschicht) ausgebildet, mit welchem ein Katalysator wie etwa Platin verbunden ist. Eine Elektrode 22a (Kathode) wird mit einem Oxidationsgas wie etwa Luft, einem Oxidator oder dergleichen versorgt, während die andere Elektrode 22b (Anode) mit einem Wasserstoffgas wie etwa einem Brenngas versorgt wird. Diese zwei Gase bewirken eine elektrochemische Reaktion in der MEA 11, wodurch die Einzelzelle 2 eine elektromotorische Kraft erhält.
Jeder Separator 12a, 12b ist aus einem gasundurchlässigen, leitfähigen Material hergestellt. Das leitfähige Material kann z. B. Kohlenstoff, ein hartes Harz, welches eine Leitfähigkeit aufweist, oder ein Metall wie etwa Aluminium, Edelstahl und dergleichen sein. Die Basis der Separatoren 12a, 12b der vorliegenden Erfindung ist mit einem Metall einer Plattenform ausgebildet, wobei seine Oberfläche auf der Elektrodenseite mit einem Film beschichtet ist, der eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion aufweist.
Die Separatoren 12a, 12b weisen jeweils eine Mehrzahl von Vorsprüngen und Vertiefungen auf beiden Oberflächen auf, die durch Pressformen der den Elektroden 22a, 22b gegenüberliegenden Abschnitte der Separatoren 12a, 12b ausgebildet sind. Die Vorsprünge und Vertiefungen erstrecken sich in einer Richtung, welche Gasströmungswege 31a für das Oxidationsgas, Gasströmungswege 31b für das Wasserstoffgas und Kühlmittelwege 32 bilden.
Insbesondere ist auf der inneren Oberfläche des Separators 12a, die der Elektrode 22a gegenüberliegt, eine Mehrzahl gerader Gasströmungswege 31a für das Oxidationsgas ausgebildet und ist eine Mehrzahl gerader Kühlmittelwege 32 auf der äußeren Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite ausgebildet. Gleichermaßen ist eine Mehrzahl gerader Gasströmungswege 31b für das Wasserstoffgas auf der inneren Oberfläche des Separators 12b, die der Elektrode 22b gegenüberliegt, ausgebildet und ist auf der äußeren Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite eine Mehrzahl gerader Kühlmittelwege 32 ausgebildet.
Die Gasströmungswege 31a und die Gasströmungswege 31b in der Einzelzelle 2 erstrecken sich parallel in der gleichen Richtung, liegen einander ausgerichtet gegenüber, während sie die MEA 11 hierzwischen aufnehmen. Für die aneinander angrenzenden zwei Einzelzellen 2 und 2 liegen die äußere Oberfläche des Separators 12a einer Einzelzelle 2 und die äußere Oberfläche des Separators 12b der benachbarten Einzelzelle 2 aneinander an, sodass ihre Kühlmittelwege 32 miteinander verbunden sind, um einen rechteckigen Strömungswegquerschnitt auszubilden. Wie später beschrieben werden wird, weisen der Separator 12a und der Separator 12b der benachbarten Einzelzellen 2 und 2 ihre Randabschnitte mit einem Gießharz 94 vergossen auf.
Ein Verteiler 41 auf der Einlass-Seite des Oxidationsgases, ein Verteiler 42 auf der Einlass-Seite des Wasserstoffgases und ein Verteiler 43 auf der Einlass-Seite des Kühlmittels sind in einer rechteckigen Form ausgebildet, um einen Endabschnitt jedes der Separatoren 12a, 12b zu durchdringen. Ein Verteiler 51 auf der Auslass-Seite des Oxidationsgases, ein Verteiler 52 auf der Auslass-Seite des Wasserstoffgases und ein Verteiler 53 auf der Auslass-Seite des Kühlmittels sind in einer rechteckigen Form ausgebildet, um den anderen Endabschnitt jedes der Separatoren 12a, 12b zu durchdringen.
Die Verteiler 41 und 51 für das Oxidationsgas in dem Separator 12a stehen über einen Verbindungsweg 61 auf der Einlass-Seite und einen Verbindungsweg 62 auf der Auslass-Seite, die in einer Rillenform an dem Separator 12a ausgebildet sind, mit den Gasströmungswegen 31a für das Oxidationsgas in Verbindung. Gleichermaßen stehen die Verteiler 42 und 52 für das Wasserstoffgas in dem Separator 12b über einen Verbindungsweg 63 auf der Einlass-Seite und einen Verbindungsweg 64 auf der Auslass-Seite, die in einer Rillenform an dem Separator 12b ausgebildet sind, mit den Gasströmungswegen 31b für das Wasserstoffgas in Verbindung.
Ferner stehen die Verteiler 43 und 53 für das Kühlmittel in jedem der Separatoren 12a, 12b über einen Verbindungsweg 65 auf der Einlass-Seite und einen Verbindungsweg 66 auf der Auslass-Seite, die in einer Rillenform an jedem der Separatoren 12a, 12b ausgebildet sind, mit den Kühlmittelwegen 32 in Verbindung. Mit solchen Konfigurationen der Separatoren 12a, 12b werden das Oxidationsgas, das Wasserstoffgas und das Kühlmittel in geeigneter Weise der Einzelzelle 2 zugeführt.
Z. B. wird das Oxidationsgas von dem Verteiler 41 des Separators 12a aus über den Verbindungsweg 61 den Gasströmungswegen 31a zugeführt, wo es für eine Energieerzeugung durch die MEA 11 verwendet wird, und dann über den Verbindungsweg 62 in den Verteiler 51 abgelassen. Während das Oxidationsgas durch die Verteiler 41 und 51 in dem Separator 12b strömt, wird es nicht nach innerhalb des Separators 12b hineingelassen. Obschon die Gasströmungswege 31a, 31b und die Kühlmittelwege 32 in der vorliegenden Erfindung im Wege eines Beispiels so beschrieben sind, dass sie gerade Strömungsweg sind, ist es selbstverständlich möglich, diese Strömungswege 31a, 31b und 32 mit schlangenlinienförmigen Strömungswegen auszubilden.
Die ersten Dichtungselemente 13a, 13b sind in der identischen Rahmenform ausgebildet. Das erste Dichtungselement 13a ist zwischen der MEA 11 und dem Separator 12a vorgesehen, um zwischen diesen abzudichten. Genauer gesagt ist das erste Dichtungselement 13a zwischen dem Randabschnitt 24 der Elektrolytmembran 21 und einer Oberfläche des Separators 12a, die von den Gasströmungswegen 31a entfernt liegt, vorgesehen. Gleichermaßen ist das erste Dichtungselement 13b zwischen dem Randabschnitt 24 der Elektrolytmembran 21 und einer Oberfläche des Separators 12a, die von den Gasströmungswegen 31a entfernt liegt, vorgesehen, um zwischen diesen abzudichten.
Ferner ist ein zweites Dichtungselement 13c mit einer Rahmenform zwischen dem Separator 12a und dem Separator 12b der benachbarten Einzelzellen 2 und 2 vorgesehen. Das zweite Dichtungselement 13c ist zwischen einer Oberfläche des Separators 12a, die von den Kühlmittelwege 32 entfernt liegt, und einer Oberfläche des Separators 12b, die von den Kühlmittelwege 32 entfernt liegt, vorgesehen, um zwischen diesen abzudichten. Als solche sind von den verschiedenen Wegen für die Fluide (31a, 31b, 32, 41–43, 51–53, 61–66) der Separatoren 12a und 12b die Wege, die sich außerhalb der ersten Dichtungselemente 13a, 13b und des zweiten Dichtungselements 13c befinden, die Verteiler 41–43 auf der Einlass-Seite und die Verteiler 51–53 auf der Auslass-Seite der Fluide.
Obschon in 2 nicht gezeigt, weisen die ersten Dichtungselemente 13a, 13b unter Berücksichtigung der Elektroden 22a, 22b stufenförmige Abschnitte in den inneren Rändern auf der Seite der Elektrolytmembran 21 auf. Ferner sind die Separatoren 12a, 12b so ausgebildet, dass sie den ersten Dichtungselemente 13a, 13b und dem zweiten Dichtungselement 13c entsprechen, und weisen so Vertiefungen, um die ersten Dichtungselemente 13a, 13b und das zweite Dichtungselement 13c aufzunehmen, und Beschränkungsabschnitte 71 zur Beschränkung der Einwärtsbewegung der ersten Dichtungselemente 13a, 13b und des zweiten Dichtungselements 13c auf. Obschon die ersten Dichtungselemente 13a, 13b und das zweite Dichtungselement 13c in 3 in unterschiedlicher Form vorliegen, ist es selbstverständlich möglich, sie in der gleichen Form auszubilden.
Die ersten Dichtungselemente 13a, 13b und das zweite Dichtungselement 13c sind vom Standpunkt eines Sicherns der Funktion der Brennstoffzelle 1 (der Einzelzelle 2) aus nicht notwendigerweise unverzichtbare Komponenten. Zu der Zeit des Gießens der Randabschnitte der MEA 11 und der Separatoren 12a, 12b in der Einzelzelle 2 mit dem Gießharz 94 wirken die ersten Dichtungselemente 13a, 13b jedoch, um zu verhindern, dass das Gießharz 94 nach innerhalb der Einzelzelle 2 fließt. Ferner wirkt das zweite Dichtungselement 13c gleichermaßen, um zu verhindern, dass das Gießharz 94 zu der Zeit eines Gießens zwischen den Einzelzellen 2 in Einwärtsrichtung der Einzelzellen 2 fließt. Des Weiteren wirken nach dem Gießen die ersten Dichtungselemente 13a, 13b und das zweite Dichtungselement 13c mit dem so vergossenen Gießharz 94 zusammen, um zwischen der MEA 11 und jedem der Separatoren 12a, 12b und zwischen dem Separator 12a und dem Separator 12b der benachbarten Einzelzellen 2 in geeigneter Weise abzudichten.
Unter Bezugnahme auf 4 bis 7 wird nun ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle 1 zusammen mit einem Zusammenbauprozess der Komponenten der Einzelzelle 2 beschrieben werden. In dem Zusammenbauprozess der Einzelzelle 2 werden die Komponenten zusammen vergossen, wobei das Gießen während des Prozesses des Gießens von z. B. 10 bis 20 Einzelzellen 2 zur gleichen Zeit ausgeführt wird.
Zuerst wird in einem vorbereitenden Schritt der Separator 12a festgelegt und wird das erste Dichtungselement 13a an einer vorbestimmten Position auf dem Separator 12a bereitgestellt. Zu dieser Zeit wird zum Sichern des Strömungsweges des Oxidationsgases ein erstes Maskierungselement 81 für einen Weg, wie er in 5 gezeigt ist, angepasst und auf jeden der Verbindungswege 61, 62 des Separators 12a aufgebracht. Wie später beschrieben werden wird, ist das erste Maskierungselement 81 für jeden der Verbindungswege (61–66) der Separatoren 12a, 12b vorgesehen, wobei jedes Maskierungselement die gleiche Konfiguration aufweist. Hierbei wird das erste Maskierungselement 81 in Verbindung mit dem Verbindungsweg 62 als ein Repräsentant der Verbindungswege beschrieben werden.
Das erste Maskierungselement 81 weist ein Form auf, die der Breite und Tiefe der Rille des Verbindungswegs 62 entspricht, und ist aus einem Material ausgebildet, welches eine Biegsamkeit aufweist. Durch Aufbringen des ersten Maskierungselements 81 auf den Verbindungsweg 62 wird verhindert, dass das Gießharz 94 zu der Zeit des Gießens in den Verbindungsweg 62 fließt. In diesem Fall wird das erste Maskierungselement 81 auf den Verbindungsweg 62 in solcher Weise aufgebracht, dass ein Abschnitt 82 in der Längsrichtung des ersten Maskierungselements 81 in den Verteiler 51 hervorragt. Dies macht es möglich, auf den hervorragenden Abschnitt 82 des ersten Maskierungselements 81 von dem Verteiler 51 aus nach dem Gießen zuzugreifen, um das erste Maskierungselement 81 über den hervorragenden Abschnitt 82 aus dem Verbindungsweg 62 herauszuziehen, und dies stellt sicher, dass das erste Maskierungselement 81 leicht aus dem Verbindungsweg 62 herausgezogen werden kann.
In dem nächsten Schritt werden die MEA 11 und das erste Dichtungselement 13b in vorbestimmten Positionen derart bereitgestellt, dass sie in dieser Reihenfolge auf dem Separator 12a und dem ersten Dichtungselement 13a gestapelt werden. Der Separator 12b wird dann in einer vorbestimmten Position auf diesen gestapelt. Zu dieser Zeit wird, um den Strömungsweg des Wasserstoffgases zu sichern, das erste Maskierungselement 81 angepasst und auf jeden der Verbindungswege 63, 64 des Separators 12b in gleicher bzw. ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben aufgebracht. Danach wird das zweite Dichtungselement 13c auf dem Separator 12b bereitgestellt, in welcher Zeit erneut das erste Maskierungselement 81 angepasst und auf jeden der Verbindungswege 65, 66 des Separators 12b in gleicher bzw. ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben aufgebracht wird, um den Strömungsweg des Kühlmittels zu sichern.
Die vorbestimmten Schritte werden für eine vorbestimmte Anzahl von (z. B. 10 bis 20) Einzelzellen 2 wiederholt, um die vorbestimmte Anzahl von Einzelzellen 2 in einem unverbundenen Zustand zu stapeln. In diesem Zustand sind die gesamten sechs Verteiler (41–43, 51–53) der jeweiligen Einzelzellen 2 jeweils in der Zellenstapelrichtung ausgerichtet. Hierbei wird das zweite Maskierungselement 91 für einen Verteiler, wie in 4 und 6 gezeigt, in jeden der Verteiler (41–43, 51–53) eingesetzt. Jedes zweite Maskierungselement 91 weist die gleiche bzw. ähnliche Konfiguration auf, und nachstehend wird das zweite Maskierungselement 91 in Verbindung mit dem Verteiler 51 als ein Repräsentant der Verteiler beschrieben werden.
Das zweite Maskierungselement 91 ist mit einem harten viereckigen Prisma ausgebildet, welches der Größe und der rechteckigen Form des Verteilers 51 entspricht. Das zweite Maskierungselement 91 weist eine Höhe auf, die größer als die Höhen (Dicken) der Mehrzahl von in dem unverbundenen Zustand gestapelten Einzelzellen 2 festgelegt ist. Das zweite Maskierungselement 91, das in den Verteiler 51 eingesetzt ist, erstreckt sich durch die Mehrzahl von Einzelzellen 2 hindurch, während es die hervorragenden Abschnitte 82 des ersten Maskierungselements 81 in dem Verteiler 51 der Einzelzellen 2 biegt bzw. überspannt. Das Einsetzen des zweiten Maskierungselements 91 in die Verteiler 51 kann verhindern, dass das Gießharz 94 zu der Zeit des Gießens in die Verteiler 51 fließt.
Der nachfolgende Schritt ist der Gießschritt, bei welchem die Mehrzahl der Einzelzellen 2, welche das zweite Maskierungselement 91 hierhindurch eingesetzt aufweisen, in einer Form 92 angeordnet werden, wie es in 7 gezeigt ist, und ein flüssiges Gießharz 94 (Gießmaterial) mit einem vorbestimmten Druck in die Form 92 eingeleitet wird. Das Gießharz 94 fließt um die Randabschnitte der Einzelzellen 2 herum in der Umfangsrichtung. Zu dieser Zeit verhindern die ersten Dichtungselemente 13a, 13b, dass das Gießharz 94 in der Einwärtsrichtung der Einzelzelle 2 (Gasströmungswege 31a, 31b) zwischen der MEA 11 und den jeweiligen Separatoren 12a, 12b fließt.
Des Weiteren verhindert zu der Zeit eines Einleitens des Gießharzes 94 das zweite Dichtungselement 13c, dass das Gießharz 94 in die Einwärtsrichtung der Einzelzellen 2 (Kühlmittelwege 32) zwischen dem Separator 12a und dem Separator 12b der benachbarten Einzelzellen 2 fließt. Indessen verhindern die an den Separatoren 12a, 12b ausgebildeten Beschränkungsabschnitte 71 die Bewegung der ersten Dichtungselemente 13a, 13b und des zweiten Dichtungselements 13c in der Einwärtsrichtung der Einzelzelle 2 zu der Zeit eines Einleitens des Gießharzes 94.
Des Weiteren verhindern nach Einleitung des Gießharzes 94 die ersten Maskierungselemente 81 und die zweiten Maskierungselemente 91 das Fließen des Gießharzes 94 in die Verbindungswege (61–66) und die entsprechenden Verteiler (41–43, 51–53). Auf diese Weise kann die vorstehend beschriebene Konfiguration auch das Fließen des Gießharzes 94 in die in den Separatoren 12a, 12b ausgebildeten Strömungswege (31a, 31b, 32, 41–43, 51–53, 61–66) verhindern.
Wenn das Gießharz 94 abgekühlt und gehärtet ist, wird die Form 92 entfernt, wodurch der Gießschritt abgeschlossen wird. Als ein Ergebnis dieses Gießschrittes nimmt jede Einzelzelle 2 den Zustand an, der in 3 gezeigt ist. Insbesondere sind die Randabschnitte der MEA 11 und des Separators 12a der Einzelzelle 2 durch das Gießharz 94 entlang der Umfangsrichtung integral mit der äußeren Randoberfläche des ersten Dichtungselements 13a verbunden. Gleichermaßen sind die Randabschnitte der MEA 11 und des Separators 12b der Einzelzelle 2 durch das Gießharz 94 entlang der Umfangsrichtung integral mit der äußeren Randoberfläche des ersten Dichtungselements 13b verbunden. Des Weiteren sind die Randabschnitte des Separators 12a und des Separators 12b der benachbarten Einzelzellen 2 durch das Gießharz 94 entlang der Umfangsrichtung integral mit der äußeren Randoberfläche des zweiten Dichtungselements 13c verbunden.
Auf diese Weise sind durch das Ende des Gießschrittes die drei die Einzelzelle 2 bildenden Komponenten, d. h., die MEA 11 und die Separatoren 12a und 12b, gleichzeitig durch das Gießharz 94 verbunden und sind auch die Einzelzellen 2 und 2 durch das Gießharz 94 verbunden. Als das Gießharz 94 kann z. B. Silikonkautschuk, der eine gute Wärmebeständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften aufweist, verwendet werden, in welchem Fall die Erstarrungszeit (Verbindungszeit) des Gießharzes 94 etwa eine Minute beträgt. Verschiedene Harze wie etwa Fluorkautschuk können ebenfalls als das Gießharz 94 verwendet werden.
Nachstehend werden die Randabschnitte und die Umfangsrichtung der mit dem Gießharz 94 vergossenen Komponenten, die integral zu verbinden sind, im Einzelnen beschrieben werden. Sich auf eine Einzelzelle 2 konzentrierend, weist die Einzelzelle 2 eine Mehrzahl von näherungsweise ebenen Komponenten (MEA 11, Separator 12a und Separator 12b) auf, die gemäß vorstehender Beschreibung gestapelt und miteinander verbunden sind, und weist einen Aufbau auf, welcher ein Energieerzeugungsgebiet und ein Gebiet ohne Energieerzeugung in seiner Ebene aufweist. Der ”Randabschnitt” der die Einzelzelle 2 bildenden Komponente bezieht sich auf ein Gebiet, welches wenigstens einen Teil des Gebiets ohne Energieerzeugung enthält. Mit anderen Worten, in der näherungsweise ebenen Einzelzelle 2, die eine vorgeschriebene Dicke aufweist, entspricht der ”Randabschnitt” dem Randabschnitt der näherungsweise ebenen Einzelzelle 2. Ferner bezieht sich die Umfangsrichtung auf die Richtung entlang dem Rand bzw. Umfang dieses Randabschnitts.
Um das Energieerzeugungsgebiet und das Gebiet ohne Energieerzeugung im Einzelnen zu beschreiben, ist das Energieerzeugungsgebiet das Gebiet, welches die Elektroden 22a, 22b der MEA 11 umfasst, und ist das Gebiet ohne Energieerzeugung das Gebiet auf der Außenseite des Energieerzeugungsgebiet, welches das Gebiet abseits der Gasströmungswege 31a, 31b der Separatoren 12a, 12b ist.
Nach dem Gießschritt wird das zweite Maskierungselement 91 von jedem der Verteiler (41–43, 51–53) entfernt. Wenn das zweite Maskierungselement 91 entfernt ist, kann der Abschnitt 82 des ersten Maskierungselements 81 in dem Verteiler (41–43, 51–53) freiliegen, und daher wird jedes der ersten Maskierungselemente 81 aus dem Verbindungsweg (61–66) dadurch entfernt, dass auf es von dem entsprechenden Verteiler (41–43, 51–53) aus zugegriffen wird. Nach einer Abfolge solcher Entfernungsschritte wird ein Stapel mit einer vorbestimmten Anzahl gestapelter Einzelzellen 2 erhalten.
In der letzten Stufe des Herstellungsprozesses der Brennstoffzelle 1 werden eine vorbestimmte Anzahl solcher Stapel, von denen jeder aus einer Mehrzahl von Einzelzellen 2 hergestellt ist, hergestellt und gestapelt, um einen Stapelkörper 3 zusammenzusetzen. Der Stapelkörper 3, die Kollektorplatten 6, die Isolierplatten 7 und die Endplatten 8 werden dann gestapelt, und eine vorbestimmte Druckkraft wird in der Stapelrichtung der Einzelzellen 2 aufgebracht, wodurch die Brennstoffzelle 1 fertiggestellt wird.
Wie vorstehend beschrieben, werden zu der Zeit des Herstellens der Brennstoffzelle 1 die Komponenten (MEA 11, Separatoren 12a, 12b) der Einzelzelle 2 durch Vergießen mit dem Gießharz 94 integral verbunden. In dem Fall eines Verwendens eines Klebstoffs zum Verbinden der Komponenten können für die Erstarrungszeit (Verbindungszeit) z. B. etwa zehn Minuten für jede Einzelzelle 2 benötigt werden. Durch integrales Vergießen mit dem Gießharz 94 wie in der vorliegenden Erfindung dagegen kann die Verbindungszeit für jede Einzelzelle 2 beträchtlich verkürzt werden. Des Weiteren werden eine vorbestimmte Anzahl von Einzelzellen 2 integral verbunden, was die Verbindungszeit weiter verkürzen kann. Demgemäß ist es möglich, die Produktivitäten (Durchsätze) der Einzelzelle 2 und der Brennstoffzelle 1 zu erhöhen.
Obschon eine Konfiguration dergestalt vorgenommen worden ist, dass eine Mehrzahl von Einzelzellen 2 gestapelt werden und die Randabschnitte der Einzelzellen 2 ebenfalls mit dem Gießharz 94 vergossen werden, ist es selbstverständlich auch möglich, die Randabschnitte der MEA 11 und jedes der Separatoren 12a, 12b, welche die Einzelzelle 2 bilden, für jede Einzelzelle 2 separat zu vergießen. Nichtsdestoweniger kann das integrale Vergießen einer Mehrzahl von Einzelzellen 2 den Durchsatz der Brennstoffzelle 1 in geeigneter Weise erhöhen, wie vorstehend beschrieben.
[Zweite Ausführungsform]
Eine Brennstoffzelle 1 und eine Einzelzelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 8 beschrieben werden. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in erster Linie in den nachfolgenden zwei Punkten: sie unterscheidet sich in den Konfigurationen der ersten Dichtungselemente 101a, 101b und des zweiten Dichtungselements 101c und unterscheidet sich als eine Folge darin, dass das zweite Maskierungselement 91 in dem Gießschritt nicht verwendet wird. In der nachstehenden Erläuterung sind die Abschnitte, die denjenigen der ersten Ausführungsform gemeinsam sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung derselben wird nicht wiederholt werden.
Das erste Dichtungselement 101a ist mit einem ersten Hauptdichtungsteil 111a, der alle das Oxidationsgas betreffenden Wege (Gasströmungswege 31a, Verteiler 41, 51 und Verbindungswege 61, 62) des Separators 12a auf der Seite der MEA 11 kontinuierlich umgibt, rahmenförmigen ersten Hilfsdichtungsteilen 112a und 113a, die jeweils die einlass-seitigen und auslass-seitigen Verteiler 42 und 52 für das Wasserstoffgas des Separators 12a auf der Seite der MEA 11 kontinuierlich umgeben, und rahmenförmigen ersten Hilfdichtungsteilen 114a und 115a, die jeweils die einlass-seitigen und auslass-seitigen Verteiler 43 und 53 für das Kühlmittel des Separators 12a auf der Seite der MEA 11 umgeben, ausgebildet. Die ersten Hilfsdichtungsteile 112a–115a liegen jeweils von dem ersten Hauptdichtungsteil 111a getrennt vor.
Gleichermaßen ist das erste Dichtungselement 101b mit einem ersten Hauptdichtungsteil 111b, der alle das Wasserstoffgas betreffenden Wege (Gasströmungswege 31b, Verteiler 42, 52 und Verbindungswege 63, 64) des Separators 12b auf der Seite der MEA 11 kontinuierlich umgibt, rahmenförmigen ersten Hilfsdichtungsteilen 116a und 117a, die jeweils die einlass-seitigen und auslassseitigen Verteiler 41 und 51 für das Sauerstoffgas des Separators 12b auf der Seite der MEA 11 kontinuierlich umgeben, und rahmenförmigen ersten Hilfdichtungsteilen 114b und 115b, die jeweils die einlass-seitigen und auslass-seitigen Verteiler 43 und 53 für das Kühlmittel des Separators 12b auf der Seite der MEA 11 umgeben, ausgebildet. Die ersten Hilfsdichtungsteile 114a–117a liegen jeweils von dem ersten Hauptdichtungsteil 111b getrennt vor.
Gleichermaßen weist das zweite Dichtungselement 101c ein erstes Hauptdichtungsteil 111c auf, welcher alle das Kühlmittel betreffenden Wege (Kühlmittelwege 32, Verteiler 43, 53 und Verbindungswege 65, 66) des Separators 12b (12a) auf der der benachbarten Einzelzelle 2 gegenüberliegenden Seite kontinuierlich umgibt. Ferner weist das zweite Dichtungselement 101c erste Hilfsdichtungsteile 112c und 113c für das Wasserstoffgas und erste Hilfsdichtungsteile 116c und 117c für das Sauerstoffgas, die jeweils von dem ersten Hauptdichtungsteil 111c getrennt vorliegen, ebenso wie in den Fällen der ersten Dichtungselemente 101a und 101b auf.
Der Herstellungsprozess der Brennstoffzelle 1 ist im Wesentlichen mit demjenigen der ersten Ausführungsform gemeinsam. Insbesondere wird zuerst in dem vorbereitenden Schritt das erste Maskierungselement 81 auf jeden der Verbindungswege 61, 62 des Separators 12a aufgebracht, wenn das erste Dichtungselement 101a an einer vorbestimmten Position auf dem festgelegten Separator 12a bereitgestellt wird. Danach werden die MEA 11 und das ersten Dichtungselement 101b an den vorbestimmten Positionen bereitgestellt, um in dieser Reihenfolge gestapelt zu werden, und dann wird der Separator 12b an einer vorbestimmten Position gestapelt. Zu dieser Zeit wird auch das erste Maskierungselement 81 auf jeden der Verbindungswege 63, 64 aufgebracht. Anschließend wird beim Bereitstellen des zweiten Dichtungselements 101c auf dem Separator 12b das erste Maskierungselement 81 gleichermaßen auf jeden der Verbindungswege 65, 66 aufgebracht.
Die vorstehend beschriebenen Schritte werden wiederholt, um eine vorbestimmte Anzahl von Einzelzellen 2 in einem unverbundenen Zustand zu stapeln. Zu dieser Zeit wird das erste Hauptdichtungsteil 111a auf dem Separator 12a derart konfiguriert, dass sich sein Dichtungsabschnitt in der Nähe der Gasströmungswege 31a und der Verbindungswege 61, 62 in engem Kontakt mit dem Randabschnitt 24 der Elektrolytmembran 21 befindet, und derart, das sich die verbleibenden Dichtungsabschnitte in der Nähe der Verteiler 41, 51 in engem Kontakt mit den ersten Hilfsdichtungsteilen 116b, 117b auf der Seite des Separators 12b befinden. Das erste Hauptdichtungsteil 111b auf dem Separator 12b ist in gleicher bzw. ähnlicher Weise konfiguriert, um einen engen Kontakt zu erzielen (Beschreibung wird nicht wiederholt werden).
Der gleiche bzw. ähnliche Gießschritt wie der oben beschriebene wird in diesem Zustand ausgeführt, um eine integrale Verbindung zwischen den die Einzelzelle 2 bildenden Komponenten (zwischen der MEA 11 und jedem der Separatoren 12a, 12b) und auch zwischen den Einzelzellen 2 zu implementieren. In der vorliegenden Erfindung verhindern die ersten Dichtungselemente 101a, 101b und das zweite Dichtungslement 101c, dass das Gießharz 94 in die verschiedenen Wege (31a, 31b, 32, 41–43, 51–53, 61–66) der Separatoren 12a, 12b fließt. Nach Fertigstellung des Gießschrittes werden die ersten Maskierungselemente 81 entfernt, wodurch ein Stapel mit einer vorbestimmten Anzahl gestapelter Einzelzellen 2 erhalten wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird auch gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Vergießen zum Verbinden bei der Herstellung der Brennstoffzelle 1 verwendet, was die Durchsätze der Einzelzelle 2 und der Brennstoffzelle 1 in geeigneter Weise verbessern kann. Die Separatoren 12a, 12b werden ausgebildet, um den ersten Dichtungselementen 101a, 101b und dem zweiten Dichtungselement 101c zu entsprechen, und sind mit vorgeschriebenen Vertiefungen zur Aufnahme derselben, Beschränkungsabschnitten 71 zur Beschränkung der Bewegung zu der Zeit eines Gießens und anderen versehen, wie es in der ersten Ausführungsform der Fall ist.

Claims

Einzelzelle (2) einer Brennstoffzelle (1), wobei die Einzelzelle eine gestapelte Mehrzahl von Komponenten aufweist, die eine Membran-Elektrode-Anordnung, MEA, (11) und zwei Separatoren (12a, 12b), welche die MEA zwischen sich aufnehmen und hierin ausgebildete Fluidwege (41–43, 51–53, 61–66) aufweisen, umfassen, die MEA (11) und die Separatoren (12a, 12b) durch integrales Vergiessen der äußeren Randabschnitte der MEA und der äußeren Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit einem Harz integral miteinander verbunden sind, äußere Randabschnitte der MEA entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt sind, äußere Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt sind, die Fluidwege derart konfiguriert sind, dass ein Maskierungselement (81, 91) zum Verhindern eines Fließens des Harzes in den Fluidweg zu der Zeit eines Gießens in dem Fluidweg angeordnet werden kann, ein Dichtungselement (13a, 13b, 101a, 101b) jeweils zwischen der MEA und dem jeweiligen Separator angeordnet ist, um zwischen der MEA und dem Separator abzudichten, wobei die MEA und die Separatoren mit dem vergossenen Harz integral mit einer äußeren Randoberfläche des Dichtungselements verbunden sind.
Einzelzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die MEA eine Elektrolytmembran (21) und ein Paar von auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden (22a, 22b) aufweist, und das Dichtungselement zwischen einem Randabschnitt (24) der Elektrolytmembran und dem Separator abdichtet.
Einzelzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Dichtungselement (13a, 13b, 101a, 101b) von einem Gasströmungsweg (31a, 31b) des jeweiligen Separators (12a, 12b) entfernt befindet.
Einzelzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator einen Beschränkungsabschnitt (71) aufweist, welcher eine Einwärtsbewegung des Dichtungselements (13a, 13b) beschränkt.
Einzelzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzelle einen Energieerzeugungsbereich und einen Bereich ohne Energieerzeugung in einer Ebene aufweist, und das Dichtungselement in dem Bereich ohne Energieerzeugung vorgesehen ist.
Einzelzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (101a, 101b) ein Hauptdichtungsteil (111a, 111b), welches alle ein erstes Fluid betreffenden Strömungswege des Separators kontinuierlich umgibt, und eine Mehrzahl von Hilfsdichtungsteilen (112a–115a, 114b–117b), welche die Fluidwege des Separators umgeben, die ein sich von dem ersten Fluid unterscheidendes Fluid betreffen, aufweist.
Einzelzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzelle einen Energieerzeugungsbereich und einen Bereich ohne Energieerzeugung in einer Ebene aufweist, und ein Randabschnitt des Bereichs ohne Energieerzeugung entlang seines Umfangs mit dem Harz abgedichtet ist.
Einzelzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator aufweist: einen Gasströmungsweg (31a, 31b), der einer Elektrode (22a, 22b) der MEA gegenüberliegt; einen einlass-seitigen Verteilerabschnitt (41, 42) zum Einleiten eines Fluids in den Gasströmungsweg; einen einlass-seitigen Verbindungsweg (61, 63), welcher den Gasströmungsweg mit dem einlass-seitigen Verteilerabschnitt verbindet; einen auslass-seitigen Verteilerabschnitt (51, 52) zum Ableiten eines Fluids aus dem Gasströmungsweg; und einen auslass-seitigen Verbindungsweg (62, 64), welcher den Gasströmungsweg mit dem auslass-seitigen Verteilerabschnitt verbindet; und die Fluidwege, in welchen ein Maskierungselement (81) angeordnet ist, die einlass-seitigen und auslass-seitigen Verbindungswege sind.
Einzelzelle gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator einen Beschränkungsabschnitt (71) aufweist, welcher eine Einwärtsbewegung des Dichtungselements (13a, 13b) beschränkt.
Brennstoffzelle (1), welche aufweist: eine gestapelte Mehrzahl von Einzelzellen (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die Fluidwege (41–43, 51–53, 61–66) aufweisen, wobei die Mehrzahl der Einzelzellen (2) mit einem vergossenen Harz (94) integral so verbunden sind, dass Randabschnitte der Mehrzahl der Einzelzellen entlang ihres Umfangs mit dem Harz bedeckt sind, und die Fluidwege derart konfiguriert sind, dass Maskierungselemente (81, 91) zum Verhindern eines Fließens des Harzes in die Fluidwege zu der Zeit eines Gießens in den Fluidwegen angeordnet werden können.
Verfahren zum Herstellen einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle, welches aufweist: einen Gießschritt eines Vergießens zweier Separatoren (12a, 12b), die hierin ausgebildete Fluidwege (41–43, 51–53, 61–66) aufweisen, und einer zwischen den beiden Separatoren aufgenommenen Membran-Elektrode-Anordnung, MEA, (11) mit einem Harz (94), um so integral verbunden zu werden, dass Randabschnitte der MEA und äußere Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit dem Harz bedeckt sind, derart, dass die MEA (11) und die Separatoren (12a, 12b) durch integrales Vergiessen der äußeren Randabschnitte der MEA und der äußeren Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit dem Harz integral miteinander verbunden werden, äußere Randabschnitte der MEA entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt werden, und äußere Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt werden, wobei der Gießschritt in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem ein Maskierungselement (81, 91) zum Verhindern eines Fließens des Harzes in den Fluidweg in dem jeweiligen Fluidweg angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Verfahren weiter aufweist: einen Entfernungsschritt zum Entfernen des Maskierungselements aus dem Fluidweg nach dem Gießschritt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidweg, in welchem das Maskierungselement angeordnet ist, ein Verteilerabschnitt (41–43, 51–53) oder ein den Verteilerabschnitt (61–66) mit einem einer Elektrode der MEA gegenüberliegenden Gasströmungsweg verbindender Verbindungsweg (61–66) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießschritt in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem der jeweilige Fluidweg von einem zwischen der MEA und dem jeweiligen Separator (12a, 12b) angeordneten Dichtungselement (13a, 13b, 101a, 101b) umgeben ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle (1), bei welchem eine Mehrzahl von Einzelzellen (2), welche Fluidwege (41–43, 51–53, 61–66) aufweisen, gestapelt werden, um die Brennstoffzelle auszubilden, wobei das Verfahren aufweist: einen Gießschritt eines Vergießens der Mehrzahl der eine MEA und zwei die MEA zwischen sich aufnehmenden Separatoren aufweisenden Einzelzellen mit einem Harz, um so integral verbunden zu werden, dass Randabschnitte der MEA und äußere Randflächen der Separatoren entlang ihrer Umfangsflächen mit dem Harz bedeckt sind, derart, dass die MEA (11) und die Separatoren (12a, 12b) durch integrales Vergiessen der äußeren Randabschnitte der MEA und der äußeren Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit dem Harz integral miteinander verbunden werden, äußere Randabschnitte der MEA entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt werden, und äußere Randflächen der Separatoren entlang ihres Umfangs mit demselben Harz bedeckt werden, wobei der Gießschritt in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem ein Maskierungselement (81, 91) zum Verhindern eines Fließens des Harzes in den Fluidweg in dem jeweiligen Fluidweg angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießschritt auch den Schritt eines Vergießens einer Mehrzahl von die Einzelzelle bildenden Komponenten mit dem Harz, um integral verbunden zu werden, aufweist.