DE112006000501T5

DE112006000501T5 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE112006000501T5
Application number: DE112006000501T
Authority: DE
Inventors: Chisato Toyota Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: DE112006000501B4; WO2006093061A1; US7892695B2; CA2599533A1; US20080220312A1; JP4936095B2; JP2006244765A; CA2599533C

Abstract

Brennstoffzellenstapel mit einer Einheitszelle, die aus einem Stapel aus einem Ionentauscher und Separatoren besteht, und einem Abdichtungsabschnitt, um eine Lücke zwischen den Einheitszellen abzudichten, wobei die Abdichtungsabschnitte unterschiedliche Haftkräfte je nach ihrer Position in einer Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der Elektrizität auf der Basis einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt, und genauer eine Abdichtungsstruktur zwischen Separatoren.
Allgemein ist eine Einheitszelle (eine Einheitsbatterie) vom Festpolymertyp aus einer Membran/Elektroden-Anordnung (im folgenden als MEA, Membran/Elektroden-Anordnung bezeichnet), die aus einer Elektrolytmembran und einem Paar aus Elektroden, die an deren beiden Oberflächen angeordnet sind, besteht, und einem Paar aus Separatoren, zwischen denen die MEA angeordnet ist, aufgebaut und weist insgesamt eine Stapelform auf. Die Einheitszelle erzeugt elektrische Leistung zwischen den Elektroden, wenn ein Oxidationsgas oder ein Brenngas durch einen Gaskanal, der in den einzelnen Separatoren ausgebildet ist, der jeweiligen Elektrode zugeführt wird.
Eine Brennstoffzelle mit Stapelstruktur wird durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen aufgebaut. Wie beispielsweise in der japanischen Patent-Offenlegungsschrtft Nr. 2004-311056 offenbart ist, wird ein Brennstoffzellenstapel durch Anordnen eines Pols (einer Elektrodenplatte), eines Isolators und einer Endplatte an beiden Zellstapelrichtungsenden in Zellstapelrichtung, Komprimieren der Zellstapelanordnung in der Zellstapelrichtung und Fixieren der Zellstapelanordnung mittels einer Befestigung (beispielsweise einer Spannplatte), die in Zellstapelrichtung verläuft, und eines Bolzens an der Außenseite der Zellstapelanordnung gebildet.
ZUSAMMENFASSUNG
Im oben beschriebenen Brennstoffzellenstapel wird ein Mehrzellenmodul durch Stapeln von Einheitszellen ausgebildet. Dann werden die Einheitszellen anhand eines Verfahrens, bei dem die Einheitszellen mit einem Klebstoff zusammengehalten werden, oder eine Lücke zwischen Einheitszellen geschlossen bzw. abgedichtet wird, indem eine Dichtung zwischen ihnen angeordnet wird, gestapelt. Die genannten Verfahren weisen jedoch jeweils Probleme auf.
<Im Fall einer Struktur, in denen Mehrzellenmodule mit einem Klebstoff zusammengehalten werden>

(1) Auch wenn nur in einer bestimmten Einheitszelle eines Mehrzellenmoduls bei der Herstellung ein Problem aufgetreten ist, ist es nicht möglich, nur den fehlerhaften Abschnitt auszutauschen, da das Mehrzellenmodul nicht auseinander genommen werden kann, und demgemäß wird das ganze Modul als fehlerhaftes Modul behandelt. Es ist auch möglich, eine Brennstoffzelle mit einer zuverlässigen Zellenleistung und Abdichtungsleistung auszuwählen und anschließend Einheitszellen neu miteinander zu verbinden, um ein Multimodul zu bilden. Jedoch kann es im Verbindungsschritt zu einer ungenügenden Abdichtung in einer Klebstoffschicht zwischen den Einheitszellen kommen.
(2) 7 zeigt Brennstoffzellen in einem Zustand, in dem sie mit einem Klebstoff 101 miteinander verbunden sind. Separatoren 100 und 100 der Einheitszelle 102 und der Einheitszellen 102 sind mit einem Klebstoff miteinander verbunden, in einem Zustand, in dem ein beliebiger Oberflächendruck an sie angelegt wurde. Wenn der Oberflächendruck nach dem Verbindungsschritt gelöst wird, wird durch eine Wölbungskraft einer MEA 103 oder dergleichen eine Spannung im Separator 100 erzeugt, wie in der Figur dargestellt ist. Wenn die Einheitszellen jeweils allein verwendet würden, wird die Spannung durch eine Verdrehkraft des Separators 100 ausgeglichen, und beide Kräfte heben sich in einem gewissen Grad eines Verformungszustands auf. Somit wird keine Zugspannung, die dem Oberflächendruck, der während des Verbindungsschritts angelegt wird, gleichwertig ist, an die Klebstoffschicht angelegt.

Wenn die Einheitszellen jedoch jeweils mit einem Klebstoff untereinander verbunden werden, um eine Mehrmodulstruktur zu bilden, wie in der Figur dargestellt, wird die Verlagerung von Separatoren aufgrund einer Wölbungskraft der MEA im in Zellstapelrichtung des Moduls mittleren Teil durch den Einfluss von benachbarten Zellen aufeinander verhindert, und ein Bereich eines Abschnitts, an dem die MEA einen Separator berührt, wird größer. Somit wird während des Verbindens Zugspannung im gleichen Maß wie Oberflächendruck auf die Klebstoffschicht nahe der Mitte des Mehrzellenmoduls konzentriert. Außerdem summieren sich die Verlagerungsbeträge der Separatoren der gestapelten Zellen an den Stapelrichtungsenden, und eine Scherspannung wird zusätzlich zur Zugspannung in der Klebstoffschicht erzeugt.
Anders ausgedrückt, eine Mehrmodulstruktur benötigt einen höheren Verlagerungswiderstand, eine größere Haftstärke und Materialstärke, um dem Oberflächendruck standhalten zu können, als ein Stapel, der aus einer Einheitszelle gebildet ist.

(3) Für den Aufbau wird eine höhere Zahl an Komponenten verwendet und dies führt zur Erhöhung einer Ausschussrate, da der Anteil von nicht-defekten Produkten an jeder Komponente multipliziert ist.

<Im Fall einer Struktur, bei der Mehrzellenmodule nur durch Dichtungen zusammengehalten werden>

(1) Wenn die Struktur auseinander genommen wird, lösen sich alle gestapelten Komponenten voneinander und die Struktur kann kaum jeweils als Einheitszelle gehandhabt werden.
(2) Die Zellenleistung und Dichtleistung können nicht bestimmt werden, bevor alle Komponenten gestapelt sind, und wenn ein fehlerhafter Abschnitt ausgetauscht wird, müssen alle Komponenten auseinander genommen werden.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände entworfen und ist auf die Schaffung eines Brennstoffzellenstapels gerichtet, der leicht zu einem Bündel aus einer Vielzahl von Einheitszellen zerlegt werden kann und der außerdem so gehandhabt werden kann, dass eine Einheitszelle als Einheit betrachtet wird.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, weist ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einheitszelle, die aus einem Stapel aus einem Ionentauscher und Separatoren gebildet ist (beispielsweise eine Einheitszelle, die aus dem Ionentauscher, der zwischen zwei einander gegenüber liegenden Separatoren angeordnet ist, gebildet ist), und einen Abdichtungsabschnitt zum Schließen der Lücke zwischen den Einheitszellen auf, wobei die Abdichtungsabschnitte je nach ihrer Position in einer Stapelrichtung der Einheitszellen unterschiedliche Haftkräfte aufweisen.
In einem Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise einen Abdichtungsabschnitt, der eine relativ schwache Haftkraft aufweist (oder der keine Haftkraft aufweist), und ein Abdichtungsabschnitt, der eine relativ starke Haftkraft aufweist, angeordnet. Der Abdichtungsabschnitt mit der starken Haftkraft soll so stark sein, dass er den Abdichtungszustand hält, solange der Brennstoffzellenstapel nicht positiv bzw. zwangsweise getrennt wird. Dann lassen sich die Einheitszellen an dem Abdichtungsabschnitt mit der schwachen Haftkraft leicht trennen, während die Einheitszellen an dem Abdichtungsabschnitt mit der starken Haftkraft nicht leicht zu trennen sind. Dadurch ist der Brennstoffzellenstapel leicht zerlegbar und hat gleichzeitig die Kraft, die Einheitszellen zusammenzuhalten.
Anders ausgedrückt, der Brennstoffzellenstapel kann eine Struktur aufweisen, die mit Abdichtungsabschnitten versehen ist, die an jeder vorgegebenen Einheitszelle (an jeder vorgegebenen Zahl von Einheitszellen) unterschiedliche Haftkräfte aufweisen. Der so aufgebaute Brennstoffzellenstapel kann ferner Abdichtungsabschnitte mit unterschiedlich geringen (schwachen) Haftkräften an jeder vorgegebenen Einheitszelle (an jeder vorgegebenen Zahl von Einheitszellen) aufweisen.
Was die Mittel betrifft, mit denen den Abdichtungsabschnitten unterschiedliche Haftkräfte verliehen werden, so können, wenn im Brennstoffzellenstapel ein Abdichtungsabschnitt ausgebildet wird, beispielsweise dadurch, dass eine Dichtung mit einem Separator in Kontakt gebracht wird, bei der Bildung des Abdichtungsabschnitt Dichtungen je nach ihrer Position in einer Stapelrichtung der Einheitszellen unterschiedliche Haftkräfte erhalten, und/oder Separatoren, die von Dichtungen berührt werden, je nach der Position der Abdichtungsabschnitte in einer Stapelrichtung von Einheitszellen unterschiedliche Haftkräfte erhalten. Für einen Abdichtungsabschnitt mit einer starken Haftkraft kann ein Klebstoff verwendet werden.
Bin Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Einheitszelle, die aus einem Stapel aus Ionentauscher und Separator besteht (beispielsweise eine Einheitszelle, die aus dem Ionentauscher, der zwischen zwei einander gegenüber liegenden Separatoren angeordnet ist, gebildet ist), und eine Dichtung zum Schließen der Lücke zwischen Separatoren in der Einheitszelle oder zwischen den Einheitszellen auf, wobei die Abdichtungsabschnitte, welche die Dichtung verwenden, je nach ihrer Position in einer Stapelrichtung der Einheitszellen unterschiedliche Haftkräfte aufweisen.
In einem Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung schließt beispielsweise ein Abdichtungsabschnitt mit einer relativ starken Haftkraft eine Lücke zwischen Separatoren einer Einheitszelle, und ein Abdichtungsabschnitt mit einer relativ schwachen Haftkraft (oder ohne Haftkraft) schließt die Lücke zwischen den Einheitszellen. Die Bindungsstärke des Abdichtungsabschnitts mit der starken Haftkraft ist so hoch, dass ein Bindungszustand gehalten wird, solange man nicht versucht, den Abdichtungsabschnitt zwangsweise zu trennen. Dadurch können alle Einheitszellen leicht voneinander getrennt werden, aber die Separatoren, die Bestandteil der Einheitszelle sind, werden nicht getrennt. Somit kann der Brennstoffzellenstapel leicht zerlegt werden und weist gleichzeitig die Kraft auf, die Brennstoffzellen zusammenzuhalten.
Anders ausgedrückt, der Brennstoffzellenstapel kann eine Struktur aufweisen, die mit Abdichtungsabschnitten mit unterschiedlichen Haftkräften an jeder vorgegebenen Einheitszelle (an jeder vorgegebenen Zahl von Einheitszellen) versehen ist. Der Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Struktur kann ferner Abdichtungsabschnitte mit unterschiedlich geringen (schwachen) Haftkräften an jeder vorgegebenen Einheitszelle (an jeder vorgegebenen Zahl von Einheitszellen) aufweisen.
Was die Mittel betrifft, um Abdichtungsabschnitten unterschiedliche Haftkräfte zu verleihen, so kann der Abdichtungsabschnitt so ausgebildet werden, dass Dichtungen je nach ihrer Position in einer Stapelrichtung der Einheitszellen unterschiedliche Haftkräfte erhalten und/oder dadurch, dass Separatoren, die von den Dichtungen berührt werden, unterschiedliche Haftkräfte erhalten, je nach der Position der Abdichtungsabschnitte in einer Stapelrichtung von Einheitszellen.
Genauer kann der Abdichtungsabschnitt beispielsweise die folgenden Strukturen annehmen.
Einige Dichtungen können mit einem gegenüber liegenden Element (einem Separator), das (bzw. der) die Dichtung berührt, eine stärkere intermolekulare Kraft entwickeln oder eine stärkere intermolekulare Bindung bilden als die anderen Dichtungen. Alternativ kann die Oberfläche mancher Dichtungen haftfähig sein oder die Oberfläche eines gegenüber liegenden Elements (eines Separators), das (bzw. der) die Dichtung berührt, kann haftfähig sein.
Außerdem können in der Oberfläche mancher Dichtungen feine Aussparungen ausgebildet sein, oder die Oberfläche eines gegenüber liegenden Elements (eines Separators), der einige Dichtungen berührt, kann spiegelglatt sein.
Ferner können manche Dichtungen mit einem gegenüber liegenden Element (einem Separator), das (bzw. der) die Dichtung berührt, eine schwächere intermolekulare Kraft erzeugen oder eine schwächere intermolekulare Bindung bilden als die anderen Dichtungen. Alternativ dazu kann ein gegenüber liegendes Element (ein Separator), das (bzw. der) einige Dichtungen berührt, eine rauere Oberfläche aufweisen als das andere gegenüber liegende Element (der andere gegenüber liegende Separator).
Ein Brennstoffzellenstapel mit der oben beschriebenen Struktur kann beispielsweise eine Haftkraft (A), die in einer Einheitszelle wirkt, eine Haftkraft (B), die zwischen den Einheitszellen in einem Modul, das mit einer Vielzahl der Einheitszellen ausgestattet ist, wirkt, und eine Haftkraft (C), die zwischen den oben beschriebenen Modulen wirkt, aufweisen, um eine Beziehung Haftkraft (A) ≥ Haftkraft (B) > Haftkraft (C) zu erfüllen.
Außerdem weist der Brennstoffzellenstapel mit der oben beschriebenen Struktur ferner eine Vielzahl von Modulen auf, von denen jedes aus einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, indem die Lücken zwischen den Einheitszellen mit einer Haftkraft (B) geschlossen werden, die höchstens so groß ist wie eine Haftkraft (A), die in der Einheitszelle wirkt, wobei eine Haftkraft (C), die zwischen den benachbarten Modulen wirkt, schwächer (geringer) sein kann als die Haftkraft (B), die zwischen den Einheitszellen wirkt.
Ferner kann der Brennstoffzellenstapel mit der oben beschriebenen Struktur einen Abschnitt aufweisen, an dem eine Haftkraft, die zwischen einer Einheitszelle und einer Einheitszelle, die an einer in Stapelrichtung einen Seite angelegt ist, schwächer (geringer) ist als eine Haftkraft, die zwischen der einen Einheitszelle und einer Einheitszelle, die an der in Stapelrichtung anderen Seite angelegt ist, wirkt.
Der Brennstoffzellenstapel mit der oben beschriebenen Struktur kann jedes Modul einzeln lösen, jede Einheitszelle vom Modul trennen und jeden einzelnen Ionentauscher und Separator von der Einheitszelle trennen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Seitenansicht einer Einheitszelle, die in einem Brennstoffzellenstapel enthalten ist, der als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
2 ist eine schematische Gesamtdarstellung, die eine Struktur eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die eine Einheitszelle in einem Brennstoffzellenstapel im zerlegten Zustand zeigt;
4 ist eine Seitendarstellung, die einen verformten Zustand einer Einheitszelle zeigt;
5 ist eine Seitendarstellung einer Einheitszelle, die in einem Brennstoffzellenstapel enthalten ist, der als zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
6 ist eine Seitendarstellung eines modifizierten Beispiels eines Brennstoffzellenstapels; und
7 ist eine seitliche Schnittdarstellung, die eine Einheitszelle eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird ein Brennstoffzellenstapel gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Im Folgenden wird ein Brennstoffzellenstapel vom Typ Festpolymerelektrolyt als Beispiel genommen und beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
<Erste Ausführungsform>
1 ist eine Seitendarstellung einer Einheitszelle, die in einem Brennstoffzellenstapel enthalten ist, der als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. 2 stellt den Gesamtaufbau des Brennstoffzellenstapels dar. Wie in den Figuren dargestellt, wird der Brennstoffzellenstapel in den folgenden Schritten aufgebaut: Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen 2 und hintereinander Anordnen jeweils eines Stromsammlers 6 mit einem Ausgangspol 5, eines isolierenden Flächegebildes 7 und einer Endplatte 8 an der Außenseite der Einheitszellen 2, die an beiden Enden angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 1 wird durch eine vorgegebene Kraft in Stapelrichtung der Einheitszellen 2, beispielsweise durch eine in der Figur nicht dargestellte Spannplatte, die beide Endplatten 8 umspannt, und die an jeder Endplatte 8 mit einem Bolzen fixiert ist, komprimiert.
Wie in 3 dargestellt, besteht eine Einheitszelle 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform aus einer MEA (einem Ionentauscher) 11 und einem Paar aus Separatoren 12a und 12b, zwischen denen die MEA 11 angeordnet ist (aus den Separatoren 12a und 12b, die zu beiden Seiten der MEA 11 angeordnet sind), und weist insgesamt eine Stapelform auf. Die MEA 11 und die Separatoren 12a und 12b sind jeweils im Allgemeinen plane Komponenten und weisen die äußere Form eines Rechtecks (länglich) auf, wenn man sie von oben betrachtet. Die äußere Form der MEA 11 ist etwas kleiner als die der Separatoren 12a bzw. 12b. Die MEA 11 und die Separatoren 12a und 12b sind an ihren Randlinien zusammengeklebt.
Die MEA 11 besteht aus einer Elektrolytmembran 21, die aus einer Ionentauschermembran besteht, bei der es sich um ein hochpolymeres Material handelt, und einem Paar Elektroden 22a und 22b (Kathode und Anode), welche zu beiden Seiten der Elektrolytmembran 21 angeordnet sind, und weist insgesamt eine Stapelform auf. Jede der Elektroden 22a und 22b ist beispielsweise mit einem Heißpressverfahren an die elektrolytische Membran 21 angefügt.
Die Elektroden 22a und 22b bestehen aus einem porösen kohlenstoffhaltigen Material (einer Diffusionsschicht), das (bzw. die) mit einem Katalysator, wie Platin, versehen ist. Ein Oxidationsgas wie Luft und ein Oxidationsmittel werden einer Elektrode 22a (einer Kathode) zugeführt, und ein Wasserstoffgas wird der anderen Elektrode 22b (der Anode) als Brenngas zugeführt. Eine elektrochemische Reaktion zwischen den beiden Gasen findet in der MEA 11 statt, und die Einheitszelle 2 erhält eine elektromagnetische Kraft.
Jeder der Separatoren 12a und 12b besteht aus einem gasundurchlässigen elektrisch leitfähigen Material. Das elektrisch leitfähige Material schließt ein Metall ein, wie Aluminium und Edelstahl, ebenso wie Kohlenstoff und ein starres Harz mit elektrischer Leitfähigkeit.
Die Separatoren 12a und 12b weisen an jeder ihrer Vorder- und Rückseiten eine Vielzahl von Konkavitäten und Konvexitäten auf, die durch Pressformen eines Teils, der auf die Elektroden 22a und 22b gerichtet ist, oder durch Ausbilden einer Nut und/oder eines Vorsprungs in den Vorder- und Rückseiten des Teils, der auf die Elektroden 22a und 22b gerichtet ist, ausgebildet werden. Eine Vielzahl der Erhebungen und Aussparungen verlaufen jeweils in einer Richtung, um einen Gaskanal 31a für ein Oxidationsgas, einen Gaskanal 31b für ein Wasserstoffgas und einen Kanal 32 für Kühlwasser zu bilden.
Genauer weist ein Separator 12a eine Vielzahl der geraden Gaskanäle 31a für das Oxidationsgas auf, die an der Innenfläche ausgebildet sind, bei der es sich um die Seite an der Elektrode 22a handelt, sowie eine Vielzahl der geraden Kanäle 32 für Kühlwasser, die an der Außenfläche ausgebildet sind, bei der es sich um die der Innenseite entgegengesetzte Seite handelt. Ebenso weist der Separator 12b eine Vielzahl von geraden Gaskanälen 32b für Wasserstoffgas auf, die an einer Innenfläche ausgebildet sind, bei der es sich um die Seite an der Elektrode 22b handelt, sowie eine Vielzahl von geraden Kanälen 32 für Kühlwasser, die an der Außenfläche ausgebildet sind, bei der es sich um die der Innenseite entgegengesetzte Seite handelt.
Die beiden Gaskanäle 31a und 31b in einer Einheitszelle 2 verlaufen parallel in der gleichen Richtung und liegen einander gegenüber, so dass sie die MEA 11 zwischen sich anordnen und nicht von der korrekten Position abweichen. Dann bilden zwei benachbarte Einheitszellen 2 kommunizierende Kanäle 32 für Kühlwasser mit einem quadratischen Querschnitt zwischen den Einheitszellen, wenn die Außenfläche des Separators 12a einer Einheitszelle 2 an die Außenfläche des Separators 12b der nächsten Einheitszelle 2 angelegt wird.
Separatoren 12a und 12b weisen einen Sammler 41 an einer Einlassseite für ein Oxidationsgas, einen Sammler 42 an einer Einlassseite für Wasserstoffgas und einen Sammler 43 an einer Einlassseite für Kühlwasser auf, die an einem Längsrichtungsende der Separatoren 12a und 12b ausgebildet sind, eine rechteckige Form aufweisen und durch jeden der Separatoren 12a und 12b hindurch gehen. Die Separatoren 12a und 12b weisen einen Sammler 51 an einer Auslassseite für das Oxidationsgas, einen Sammler 2 an einer Auslassseite für Wasserstoffgas und einen Sammler 53 an einer Auslassseite für Kühlwasser auf, die am anderen Längsrichtungsende der Separatoren 12a und 12b ausgebildet sind, eine rechteckige Form aufweisen und jeweils durch die Separatoren 12a und 12b hindurch gehen.
Der Sammler 41 und der Sammler 51 für das Oxidationsgas im Separator 12a kommunizieren mit einem Gaskanal 31a für das Oxidationsgas über einen Kommunikationskanal 61 an der Einlassseite und einen Kommunikationskanal 62 an der Auslassseite, die im Separator 12 nutförmig ausgebildet sind. Ebenso kommunizieren der Sammler 42 und der Sammler 52 für Wasserstoffgas im Separator 12b mit einem Gaskanal 31b für das Wasserstoffgas über einen Kommunikationskanal 63 an der Einlassseite und einen Kommunikationskanal 64 an der Auslassseite, die im Separator 12b nutförmig ausgebildet sind.
Ein Sammler 43 und ein Sammler 53 für Kühlwasser in jedem der Separatoren 12a und 12b kommunizieren mit einem Kanal 32 für Kühlwasser über einen Kommuni kationskanal 65 an einer Einlassseite und einen Kommunikationskanal 66 an einer Auslassseite, die in jedem der Separatoren 12a und 12b nutförmig ausgebildet sind.
Außerdem ist eine rahmenförmige Dichtung 13, die beispielsweise aus Silikongummi besteht, zwischen einem Separator 12a und einem Separator 12b benachbarter Einheitszellen 2 angeordnet. Die Dichtung 13 ist zwischen der Oberfläche an einer Position, die von einem Kanal 32 für Kühlwasser in einem Separator 12a abweicht, und der Oberfläche an einer Position, die von einem Kanal 32 für Kühlwasser in einem Separator 12b abweicht, angeordnet und schließt die Lücke zwischen ihnen.
1 und 4 sind seitliche Schnittansichten von Einheitszellen 2 im gestapelten Zustand, die wie oben beschrieben aufgebaut sind. 4 stellt einen verformten Zustand der Einheitszelle 2 von 1 dar, nachdem ein Oberflächendruck, der auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt wurde, um einen Separator daran zu befestigen, gelöst wurde. Wie oben erörtert, beruht der Brennstoffzellenstapel auf einer Einheitszellenstruktur, in der die Einheitszelle 2 aus den Separatoren 12a und 12b, zwischen denen eine MEA 11 angeordnet ist und die durch eine Klebstoffschicht 26 miteinander verklebt sind, besteht und eine Lücke zwischen den Einheitszellen 2 mit einer Dichtung 13 geschlossen ist.
Eine Dichtung 13 ist so aufgebaut, dass sie eine Lücke zwischen den Einheitszellen 2 schließt, indem sie an den Separator 12b geklebt wird, und so dass der Kopf mit einem Separator 12a der anderen gegenüber liegenden Einheitszelle 2 in Kontakt steht. Ein Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist Typ mit drei Zellen pro Modul, der aus einem Modul 20 besteht, das aus drei Einheitszellen 2 gebildet ist.
Jedoch ist ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf den Typ mit drei Zellen pro Modul, in dem drei Einheitszellen 2 ein Modul bilden, wie in der vorliegenden Ausführungsform, beschränkt, sondern kann ein Typ mit zwei Zellen pro Modul sein oder kann ein Typ sein, in dem vier oder mehr Einheitszellen 2 ein Modul bilden.
Zwei Dichtungen 13A und 13B werden als Dichtung 13 verwendet und weisen je nach ihrer Position in Stapelrichtung der Einheitszelle 2 jeweils unterschiedliche Haftkräfte auf. An jedem Modul 20 ist eine Dichtung 13A angeordnet, genauer ist diese an einer Einheitszelle 2 angeordnet, die in Zellstapelrichtung oben am Modul 20 angeordnet ist, und die Dichtung 13B schließt Lücken zwischen den anderen Einheitszellen 2, genauer schließt sie die Lücken zwischen den Einheitszellen 2 im Modul 20.
Ein Abdichtungsabschnitt 24A besteht aus der Dichtung 13A und einem Kontaktabschnitt 23A eines Separators 12a, der einen Kopf der Dichtung 13A berührt. Ebenso besteht ein Abdichtungsabschnitt 24B aus der Dichtung 13B und einem Kontaktabschnitt 23B eines Separators 12a, der den Kopf der Dichtung 13B berührt.
Eine Verbindungskraft (eine Haftkraft B) des Abdichtungsabschnitts 24B, bei der es sich um die Verbindungskraft zwischen der Dichtung 13B und dem Kontaktabschnitt 23B handelt, ist stärker als eine Verbindungskraft (eine Haftkraft C) des Abdichtungsabschnitts 24A, und die Verbindungskraft (die Haftkraft A) einer Klebstoffschicht 26, bei der es sich um die Verbindungskraft zwischen Separatoren 12a und 12b handelt, ist stärker als die des Abdichtungsabschnitts 24B.
Wie oben beschrieben ist ein einem Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Haftkraft (C) zwischen einer Einheitszelle 2, die in 1 in Stapelrichtung unten dargestellt ist, und einer nicht-dargestellten Einheitszelle 2, die auf einer in Stapelrichtung unteren Seite der obigen Einheitszelle 2 (an einer in Stapelrichtung einen Seite) angelegt ist, schwächer als die Haftkraft (B) zwischen der in Stapelrichtung unten dargestellten Einheitszelle 2 und der Einheitszelle 2, die an der in Stapelrichtung oberen Seite der Einheitszelle 2 (auf der in Stapelrichtung anderen Seite) angelegt ist. Es gibt eine Vielzahl solcher Abdichtungsabschnitte im Brennstoffzellenstapel 1, die die obige Beziehung von Haftkräften aufweisen.
Die Stärke einer Verbindungskraft des Abdichtungsabschnitts 24B soll so stark sein, dass der Bindungszustand aufrechterhalten wird, solange der Abdichtungsabschnitt nicht zwangsweise getrennt wird. Die Stärke des Abdichtungsabschnitts 24 soll so stark sein, dass er leicht getrennt werden kann.
Als Verfahren, um einem Abdichtungsabschnitt 24B eine starke Verbindungskraft zu verleihen, genauer als Verfahren, um der Oberfläche einer Dichtung 13B diese Verbindungskraft zu verleihen, und/oder als Verfahren, um einem Kontaktabschnitt 23B eines Separators 12a diese Verbindungskraft zu verleihen, können die folgenden Mittel angewendet werden:

(1) Erleichtern eines leichten Haftens der Dichtung 13B an einem gegenüber liegenden Kontaktelement (dem Kontaktabschnitt 23B des Separators 12a) über eine intermolekulare Kraft, indem für eine unausgeglichene Vernetzungsdichte im Material der Dichtung 13B gesorgt wird;
(2) Versehen der Oberfläche der Dichtung 13B mit einer Saugwirkung aufgrund von feinen Aussparungen, die an der Oberfläche ausgebildet werden, durch Aufrauen der Oberfläche zu einer satinierten Form;
(3) Anordnen eines haftfähigen Harzmaterials an der Oberfläche der Dichtung 13B;
(4) Versehen der Oberflächenschicht des Kontaktabschnitts 23B mit einer hochaktiven funktionellen Gruppe;
(5) Anordnen eines haftfähigen Harzmaterials an der Oberfläche des Kontaktabschnitts 23B und
(6) Verbessern der Haftfähigkeit der Oberfläche des Kontaktabschnitts 23B dadurch, dass die Oberfläche spiegelglatt gemacht wird.

Als Verfahren, um einem Abdichtungsabschnitt 24A ein niedrige Verbindungskraft zu verleihen, genauer als Verfahren zur Verringerung der Verbindungskraft der Oberfläche einer Dichtung 13A und/oder als Verfahren zur Verringerung der Verbindungskraft eines Kontaktabschnitts 23A eines Separators 12a können die folgenden Mittel angewendet werden:

(1) Hindern der Dichtung 13A an der Erzeugung einer intermolekularen Kraft mit einem gegenüber liegenden Kontaktelement (einem Kontaktabschnitt 23A) durch Ausgleichen einer Vernetzungsdichte in der Dichtung 13A oder Inaktivieren der Dichtung 13A, um die Zahl der verbliebenen funktionellen Gruppen an der Oberfläche zu verringern;
(2) Verhindern, dass sich die Dichtung 13A über eine intermolekulare Bindungskraft an das gegenüber liegende Element bindet, durch Aufdampfung eines inaktiven Silica-Pulvers auf die Oberfläche der Dichtung 13A oder anhand eines ähnlichen Verfahrens;
(3) Verhindern, dass sich die Dichtung 13A über die intermolekulare Bindungskraft an das gegenüber liegende Elemente bindet, indem ein Schmierstoff oder Öl auf die Oberfläche der Dichtung 13A aufgetragen wird, um die verbliebenen funktionellen Gruppen abzudecken;
(4) Hindern des Kontaktabschnitts 23A an der Erzeugung einer intermolekularen Kraft mit einem gegenüber liegenden Kontaktelement durch Senken der Zahl der verbliebenen funktionellen Gruppen an der Oberfläche mit einer Inaktivierungsbehandlung oder dergleichen;
(5) Verhindern, dass der Kontaktabschnitt 23A sich durch die intermolekulare Bindungskraft an das gegenüber liegende Element bindet, durch Auftragen eines Schmiermittels, eines Öls oder eines Formtrennmittels auf die Oberfläche des Kontaktabschnitts 23A, um die verbliebenen funktionellen Gruppen abzudecken; und
(6) Ausbilden von Hohlräumen an einem Abschnitt, der die Dichtung 13A berührt, im Kontaktabschnitt 23A durch Verstärken der Oberflächenrauigkeit (Eigenschaft) der Oberfläche des Kontaktabschnitts 23A im Vergleich zum Kontaktabschnitt 23B, um die Haftfähigkeit zu verringern.

In einem Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird eine Lücke zwischen Einheitszellen 2 nicht durch ein Haftmittel, sondern durch eine Dichtung 13 geschlossen. Im Brennstoffzellenstapel 1 wird ein Abdichtungsabschnitt 24B, an den Einheitszellen mit einer relativ höheren Verbindungskraft gebunden sind als an einen Abdichtungsabschnitt 24A, von einer schwachen Kraft nicht getrennt, sondern kann von einer Schälkraft getrennt werden, die größer ist als die Verbindungskraft, und kann mit der gleichen Verbindungskraft gebunden werden wie im Zustand vor der Trennung, wenn die Einheitszellen wieder gestapelt werden. Dagegen kann der Abdichtungsabschnitt 24A leichter getrennt werden als der Abdichtungsabschnitt 24B. Außerdem wird die Dichtleistung der Abdichtungsabschnitte 24A und 24B durch einen Oberflächendruck, der von einer Reaktionskraft der Dichtungen 13A und 13B bewirkt wird, gewährleistet.
Dagegen werden ein Separator 12a und ein Separator 12b in jeder Einheitszelle 2 gegenseitig durch eine Klebstoffschicht 26 fixiert, die durch die Verfestigung eines Klebstoffs gebildet wird. Die Dichtleistung wird durch die Bindungskraft des Klebstoffs gewährleistet.
Somit kann der vorgestellte Brennstoffzellenstapel 1 die folgenden Wirkungen zeigen. Jedes Modul 20 kann leicht von den anderen getrennt werden, da ein Abdichtungsabschnitt 24A leicht abgetrennt werden kann, da er eine schwache Verbin dungskraft aufweist. Jede Einheitszelle 2 im Modul 20 ist nur schwer von den anderen zu trennen, da ein Abdichtungsabschnitt 24B eine starke Verbindungskraft aufweist, kann aber von den jeweils anderen getrennt werden, wenn eine positive Trennkraft an den Abdichtungsabschnitt 24B angelegt wird. Somit weist der Brennstoffzellenstapel 1 den Vorteil auf, dass jede Einheitszelle 2 von den jeweils anderen getrennt werden kann, indem man den Abdichtungsabschnitt 24B mit der starken Klebkraft abtrennt, während er den Vorteil einer Mehrzellenmodulstruktur hat, genauer den Vorteil, dass die Zahl der Komponenten und gebildeten Kanäle verringert ist, eine Stapellänge durch Komprimierung einer Zellendicke verringert ist und die Handhabung der Komponenten erleichtert ist, da das Modul aus einer zu bewältigenden Anzahl von Komponenten gebildet wird, obwohl der Brennstoffzellenstapel 1 aus vielen Komponenten besteht. Anders ausgedrückt, der Brennstoffzellenstapel 1 hat die Wirkung, dass die Qualität gewährleistet ist, während eine Einheitszelle 2 als Einheit betrachtet wird und jedes Modul 20 individuell gehandhabt werden kann.
Wenn ein Problem in einer bestimmten Einheitszelle eines Mehrzellenmoduls auftritt, kann der Brennstoffzellenstapel 1 in der vorliegenden Ausführungsform somit in die einzelnen Module 20 und in jede Einheitszelle 2 zerlegt werden, und nur der fehlerhafte Abschnitt muss ersetzt werden. Da die Abdichtungsabschnitte 24A und 24B leicht verbunden und getrennt werden können, können außerdem die Einheitszellen ausgewählt werden, deren Zellleistung und Dichtleistung sichergestellt ist, ohne ein Problem mit der Dichtleistung zu bewirken, und können dann wiederum verbunden werden, um eine Mehrmodulstruktur zu bilden. Auch wenn während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels ein Problem in einer bestimmten Einheitszelle auftritt, wird somit nicht der ganze Brennstoffzellenstapel zu einem fehlerhaften Produkt, und der Ausschuss kann reduziert werden.
Außerdem schließt der Brennstoffzellenstapel Lücken zwischen Einheitszelle 2 nicht mit einem Klebstoff, sondern mit einer Dichtung 13, wie in 4 dargestellt, so dass Spannungen, die zwischen Separatoren 12a und 12b entstehen, Wölbungskräften der Separatoren 12a und 12b entgegenwirken und jede der Einheitszellen 2 in einen gut ausgewogenen Zustand gebracht wird. Anders ausgedrückt, der Brennstoffzellenstapel kann verhindern, dass sich eine Zugspannung in einem in Modulstapelrichtung mittleren Teil konzentriert, wie es in herkömmlichen Produkten vorkommt. Ferner kann der Brennstoffzellenstapel auch die Erzeugung einer Scherspannung verhindern, da der Verlagerungsumfang eines Separators nicht akkumuliert wird.
<Zweite Ausführungsform>
Nun wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel in der zweiten Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Somit erhalten gleiche Strukturen gleiche Bezugszahlen, und auf die Beschreibung dieser Strukturen wird verzichtet.
5 ist eine seitliche Querschnittsdarstellung, die Einheitszellen 2' in gestapeltem Zustand in einem Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Brennstoffzellenstapel in der vorliegenden Ausführungsform weist im Wesentlichen eine Stapelstruktur auf, in der Dichtungen alle Lücken zwischen MEA 11 und Separatoren 12a und 12b in der Einheitszelle 2' und alle Lücken zwischen dem Separator 12b und dem Separator 12a benachbarter Einheitszellen 2' schließen. Anders ausgedrückt, zusätzlich zu den oben beschriebenen Dichtungen 13A und 13B schließt ein Abdichtungsabschnitt 25 eine Lücke zwischen dem Separator 12a und dem Separator 12b, zwischen denen die MEA 11 angeordnet ist, in jeder der Einheitszellen 2'.
Der Abdichtungsabschnitt 25 besteht aus einer Dichtung 25a, die mit Klebstoff an die Seite am Separator 12a gebunden ist, und einem Dichtungsmaterial 25b, das auf die Dichtung 25a gerichtet ist und mit Klebstoff an den Separator 12b gebunden ist. Diese Dichtungen 25a und 25b bestehen beispielsweise aus Silikongummi.
Der Abdichtungsabschnitt 25 weist eine Klebkraft auf, die ähnlich stark ist wie beim Abdichtungsabschnitt 24B, da der Bindungszustand gehalten wird, bis der Abdich tungsabschnitt 25 zwangsweise getrennt wird. Die gleichen Mittel wie sie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verwendet wurden, um die Verbindungskraft an die Dichtung 13B und den Kontaktabschnitt 23B anzulegen, werden als Mittel zum Anlegen der Verbindungskraft an die Dichtung 25a und das Dichtungsmaterial 25b verwendet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Dichtleistung in jeder der Einheitszellen 2' von einem Oberflächendruck gewährleistet, der von einer Reaktionskraft einer Dichtung 25a bewirkt wird.
6 stellt ein modifiziertes Beispiel des Brennstoffzellenstapels in der vorliegenden Ausführungsform dar. Wie in der Figur dargestellt, kann der Brennstoffzellenstapel eine Struktur aufweisen, in der ein Abdichtungsabschnitt 25 mit einer Verbindungskraft Lücken zwischen einer MEA 11 und Separatoren 12a und 12b schließt und ein Abdichtungsabschnitt 24A ohne Verbindungskraft Lücken zwischen Einheitszellen 2' schließt.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem modifizierten Beispiel zeigt die gleiche Wirkung wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform aufgrund der oben beschriebenen Struktur und kann außerdem Separatoren 12a und 12b in jeder Einheitszelle 2' leicht trennen. Somit kann der Brennstoffzellenstapel gehandhabt werden, während man eine Zelle als Einheit betrachtet und ermöglicht es, eine Dichtleistung und eine Leistungserzeugung an jeder Zelle als Einheit zu bewerten, ähnlich wie in dem Fall einer Struktur, die einen Klebstoff in einem Abdichtungsabschnitt zwischen einer MEA 11 und den Separatoren 12a und 12b verwendet, obwohl er eine gestapelte Struktur aufweist, in der alle Lücken mit einer Dichtung abgedichtet sind.
Übrigens ist ein Ionentauscher eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine MEA beschränkt, in der eine Polymerelektrolytmembran und Elektroden integriert sind, wie oben beschrieben, sondern kann auch nur aus der Polymerelektrolytmembran bestehen oder kann mit anderen Komponenten versehen sein, solange der Ionentauscher mindestens die Polymerelektrolytmembran aufweist.
Ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur leicht in ein Bündel aus einer Vielzahl von Zellen zerlegt werden, sondern kann auch gehandhabt werden, während man eine Einheitszelle als Einheit betrachtet. Infolgedessen kann ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung in großem Umfang für einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Anforderungen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Damit ein Brennstoffzellenstapel leicht in ein Bündel aus einer Vielzahl von Zellen zerlegt werden kann und gleichzeitig so gehandhabt werden kann, dass man eine Einheitszelle als Einheit betrachtet, weist der Brennstoffzellenstapel eine Einheitszelle (2) auf, die aus einer MEA (11) und zwei einander gegenüber liegenden Separatoren (12a) und (12b), zwischen denen die MEA (11) angeordnet ist, und einer Klebstoffschicht (26) zum Schließen einer Lücke zwischen den Separatoren (12a) und (12b) in der Einheitszelle (2) besteht, sowie Dichtungen (13A) und (13B) zum Schließen einer Lücke zwischen den Einheitszellen (2), wobei die Haftkräfte der Klebstoffschicht (26), der Dichtung (13A) und der Dichtung (13B) sich jeweils je nach der Position in Stapelrichtung der Einheitszelle (2) unterscheiden.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit einer Einheitszelle, die aus einem Stapel aus einem Ionentauscher und Separatoren besteht, und einem Abdichtungsabschnitt, um eine Lücke zwischen den Einheitszellen abzudichten, wobei die Abdichtungsabschnitte unterschiedliche Haftkräfte je nach ihrer Position in einer Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Abdichtungsabschnitt an jeder vorgegebenen Einheitszelle eine andere Haftkraft aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei der Abdichtungsabschnitt an jeder vorgegebenen Einheitszelle eine andere schwache Haftkraft aufweist.
Brennstoffzellenstapel mit einer Einheitszelle, die aus einem Stapel aus einem Ionentauscher und Separatoren besteht, und einer Dichtung zum Abdichten einer Lücke zwischen Separatoren in der Einheitszelle oder zwischen den Einheitszellen, wobei die Abdichtungsabschnitte, an denen die Dichtung verwendet wird, unterschiedliche Haftkräfte je nach ihrer Position in Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, wobei die Dichtung an jeder vorgegebenen Einheitszelle eine andere Haftkraft aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei die Dichtung an jeder vorgegebenen Einheitszelle eine andere schwache Haftkraft aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei eine Haftkraft (A), die in einer Einheitszelle wirkt, eine Haftkraft (B), die zwischen den Einheitszellen in einem Modul, das mit einer Vielzahl der Einheitszellen versehen ist, und eine Haftkraft (C), die zwischen den Modulen wirkt, einer Beziehung Haftkraft (A) ≥ Haftkraft (B) > Haftkraft (C) gereicht wird.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 oder 4, der ferner folgendes aufweist: eine Vielzahl von Modulen, von denen jedes aus einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, indem die Lücken zwischen den Einheitszellen mit einer Haftkraft (B) abgedichtet werden, die höchstens so groß ist wie eine Haftkraft (A), die in der Einheitszelle wirkt, wobei eine Haftkraft (C), die zwischen den benachbarten Modulen wirkt, schwacher ist als die Haftkraft (B), die zwischen den Einheitszellen wirkt.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 und 4, der ferner folgendes aufweist: einen Abschnitt, an dem eine Haftkraft, die zwischen einer Einheitszelle und einer Einheitszelle, die an einer in Stapelrichtung einen Seite angelegt ist, schwächer (geringer) ist als eine Haftkraft, die zwischen der einen Einheitszelle und einer Einheitszelle, die an der in Stapelrichtung anderen Seite angelegt ist, wirkt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei einige Dichtungen mit einem gegenüber liegenden Element, das die Dichtung berührt, eine stärkere intermolekulare Kraft erzeugen oder eine stärkere intermolekulare Bindung bilden als die anderen Dichtungen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei die Oberfläche einiger Dichtungen eine Haftwirkung hat oder die Oberfläche eines gegenüber liegenden Elements, das die Dichtung berührt, eine Haftwirkung hat.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei in der Oberfläche einiger Dichtungen feine Aussparungen ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei die Oberfläche eines gegenüber liegenden Elements, das einige Dichtungen berührt, spiegelglatt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei einige Dichtungen mit einem gegenüber liegenden Element, das die Dichtung berührt, eine geringere intermolekulare Kraft erzeugen oder eine geringere intermolekulare Bindung bilden als die anderen Dichtungen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei ein gegenüber liegendes Element, das einige Dichtungen berührt, eine rauere Oberfläche aufweist als die anderen gegenüber liegenden Elemente.