DE112006003210B4

DE112006003210B4 - Polymerelektrolytbrennstoffzelle und dichtung

Info

Publication number: DE112006003210B4
Application number: DE112006003210.0T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Kawabata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: CN101331632A; US8293425B2; US20100003565A1; WO2007069747A1; CN101331632B; JP2007165156A; DE112006003210T5; CA2630984A1; JP5130623B2; CA2630984C

Abstract

Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) mit:
einer Elektrolytmembran (20) aus einem Feststoffpolymer;
Katalysatorelektrodenschichten (22, 24), die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytenmembran (20) angeordnet und ausgebildet sind;
Gasseparatoren (30), die Reaktionsgas-Zufuhrfließwege bilden, um einen Durchtritt von einer elektrochemischen Reaktion ausgesetzten Reaktionsgasen zu den Katalysatorelektrodenschichten zu ermöglichen;
einem Halteelement, das sich an dem Umfang der Elektrolytmembran (20) und der Katalysatorelektrodenschichten (22, 24) befindet, um zumindest die Elektrolytmembran (20) zu stützen;
einem Expansionselement (S), das mit dem Halteelement verbunden ist, um in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung expandierbar zu sein;
einem Befestigungselement, das mit dem Expansionselement (S) verbunden ist, um an den Gasseparatoren (30) befestigt zu sein; und
einer Dichtung (16), wobei die Dichtung (16) das Halteelement, das Expansionselement (S) und das Befestigungselement umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eine Festpolymerelektrolytmembran enthaltend.
Hintergrund der Erfindung
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle hat eine Elektrolytmembran, die aus einem Festpolymer mit Protonenleitfähigkeit hergestellt ist. Diverse Techniken wurden hinsichtlich der Polymerelektrolytbrennstoffzelle vorgeschlagen. Bei der Polymerelektrolytbrennstoffzelle werden während jedem Leistungserzeugungszyklus ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas und ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas als Reaktionsgase einer elektrochemischen Reaktion einer Brennstoffelektrode oder -anode und einer Sauerstoffelektrode oder -kathode zugeführt, welche als Katalysatorelektrodenschichten an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet sind. Als ein Erzeugnis der elektrochemischen Reaktion wird Wasser an der Kathode erzeugt. Die Elektrolytmembran wird daher durch das erzeugte Wasser während des Leistungserzeugungszyklus feucht gehalten. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle wird jedoch während einer zeitweiligen Ruhezeitdauer kein Wasser durch die elektrochemische Reaktion an der Kathode erzeugt, so dass die Elektrolytmembran getrocknet wird. Ein vorgeschlagener Aufbau der Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist in der japanischen Patentveröffentlichung 2003-68318 offenbart.
Bei der herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzelle wechseln wiederholte Zyklen der Leistungserzeugung mit zeitweiligen Ruhezeitdauern oft den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran zwischen nass und dem trocken. Der häufige Wechsel bezüglich des Feuchtigkeitszustands ruft häufige Expansion und Kontraktion der Elektrolytmembran hervor. Die häufige Expansion und Kontraktion bringt eine merkliche Spannung (Belastung) auf die Elektrolytmembran auf und führt zu einer verfrühten Alterung der Elektrolytmembran.
Gattungsgemäße Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind dem Fachman aus den Druckschriften DE 199 03 352 A1 und WO 2005/ 008 826 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der Technik gemäß dem Stand der Technik zu eliminieren und eine Technik bereitzustellen, die auf eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle anwendbar ist, um eine Alterung einer Elektrolytmembran aufgrund der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran zu verhindern.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Um zumindest einen Teil des oben genannten und die anderen darauf bezogenen Aufgaben zu erreichen, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine erste Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die enthält: eine Elektrolytmembran aus einem Festpolymer; Katalysatorelektrodenschichten, die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran angeordnet und ausgebildet sind; Gasseparatoren, die Reaktionsgas-Zufuhrfließwege bilden, um einen Durchtritt von einer elektrochemischen Reaktion ausgesetzten Reaktionsgase zu den Katalysatorelektrodenschichten zu ermöglichen, um einer elektrochemischen Reaktion zugeführt zu werden; ein Halteelement, das sich an dem Umfang der Elektrolytmembran und der Katalysatorelektrodenschichten befindet, um zumindest die Elektrolytmembran zu stützen; ein Expansionselement, das mit dem Halteelement verbunden ist, um in Elektrolytmembran- Oberflächenrichtung expandierbar zu sein; ein Befestigungselement, das mit dem Expansionselement verbunden ist, um an den Gasseparatoren befestigt zu sein; und eine Dichtung, wobei die Dichtung das Halteelement, das Expansionselement und das Befestigungselement umfasst.
Die Elektrolytmembran kann in der Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle während wiederholter Leistungserzeugungszyklen mit zeitweiligen Ruhezeitdauern ausgedehnt oder kontrahiert werden. In der ersten Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Erfindung wird das Expansionselement mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran expandiert oder kontrahiert und baut so die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte Spannung ab. Dieser Aufbau der Erfindung verhindert effizient die Alterung der Elektrolytmembran aufgrund der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Erfindung weisen die Gasseparatoren flache Oberflächen ohne Wellen auf.
Zumindest ein Teil der oben genannten und der anderen darauf bezogenen Aufgaben ist auch durch eine zweite Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Erfindung erreichbar, welche enthält: eine Elektrolytmembran aus einem Festpolymer; Katalysatorelektrodenschichten, die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran angeordnet und ausgebildet sind; ein Halteelement, das sich auf dem Umfang der Elektrolytmembran befindet, um zumindest die Elektrolytmembran zu stützen; und ein Befestigungselement, das das Halteelement befestigt. Dabei weist die Elektrolytmembran einen Nicht-Beschichtungsbereich ohne Beschichtung der Katalysatorelektrodenschichten am Umfang der Elektrolytmembran auf. Dabei weist die Elektrolytmembran ein Expansionselement auf, das zumindest in einem Teil des Nicht-Beschichtungsbereichs vorgesehen ist und in einer Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung expandierbar ist, wobei entweder das Halteelement oder das Befestigungselement zumindest einen Teil einer Dichtung bildet, die aktiviert wird, um eine Gasdichtungseigenschaft zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran zu sichern. Dabei ist ein Elastizitätsmodul des Expansionselements in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung höher als ein Elastizitätsmodul der Dichtung.
Die Elektrolytmembran kann in der Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle durch wiederholte Leistungserzeugungszyklen mit zeitweiligen Ruhezeitdauern expandiert oder kontrahiert werden. In der zweiten Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Erfindung wird das Expansionselement, welches in dem Nicht-Beschichtungsbereich der Elektrolytmembran ausgebildet ist, mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran expandiert oder kontrahiert und baut so die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte Spannung ab. Der Aufbau der Erfindung verhindert effizient die Alterung der Elektrolytmembran durch Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran in der Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung.
In der ersten Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Expansionselement ein höheres Elastizitätsmodul in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung aufweist, als ein Elastizitätsmodul des Halteelementes oder ein Elastizitätsmodul des Befestigungselements.
Diese Anordnung ermöglicht effizient dem Expansionselement, mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran expandiert oder kontrahiert zu werden und baut so die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte Spannung ab.
In einem bevorzugten Aufbau der ersten Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder der zweiten Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Erfindung bilden entweder das Halteelement oder das Befestigungselement zumindest einen Teil einer Dichtung, die aktiviert wird, um die Gasdichtungseigenschaften zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran zu sichern.
Dieser Aufbau vermindert wünschenswerterweise die Gesamtanzahl an Teilen, welche die Polymerelektrolytbrennstoffzelle bilden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die erste Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder die zweite Polymerelektrolytbrennstoffzelle ferner Gasdiffusionsschichten, die außerhalb der jeweiligen Katalysatorelektrodenschichten angeordnet sind und aus einem elektrisch leitenden porösen Material hergestellt sind.
Diese Anordnung ermöglicht dem Reaktionsgas, welches für die elektrochemische Reaktion eingesetzt wird, effizient zu den jeweiligen Katalysatorelektrodenschichten zugeführt zu werden.
In der ersten Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder der zweiten Polymerelektrolytbrennstoffzelle kann das Expansionselement einen gewundenen Aufbau haben.
Der gewundene Aufbau des Expansionselements wird mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran expandiert oder kontrahiert und baut so die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte Spannung ab.
Um zumindest einen Teil der oben genannten und der damit verbundenen Aufgaben zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung auch auf eine Dichtung gerichtet, die bei einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle eingesetzt wird. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle weist auf: eine Elektrolytmembran aus einem Feststoffpolymer; Katalysatorelektrodenschichten, die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran angeordnet und ausgebildet sind; und Gasseparatoren. Die Dichtung wird aktiviert, um die Gasdichtungseigenschaften zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran zu sichern.
Die Dichtung enthält: ein Halteelement, das sich an dem Umfang der Elektrolytmembran und den Katalysator der Elektrodenschichten befindet, um zumindest die Elektrolytmembran zu stützten; ein Expansionselement mit einem zumindest teilweise gewölbten oder wellenförmigen Aufbau, das mit dem Halteelement verbunden ist, um in einer Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung expandierbar zu sein; und ein Befestigungselement, das mit dem Expansionselement verbunden ist, um an den Gasseparatoren befestigt zu sein.
Die Elektrolytmembran kann in der Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle über wiederholte Leistungserzeugungszyklen mit zeitweiligen Ruhezeitdauern expandiert oder kontrahiert werden. Die Dichtung gemäß der Erfindung ermöglicht dem Expansionselement, mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran expandiert oder kontrahiert zu werden und baut so die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte Spannung ab. Dieser Aufbau der Erfindung verhindert effizient die Alterung der Elektrolytmembran aufgrund der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran in der Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung.
Die Technik der Erfindung kann bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem, welches erste Polymerelektrolytbrennstoffzellen oder zweite Polymerelektrolytbrennstoffzellen gemäß der Erfindung enthält.
Figurenliste

1 ist eine Schnittdarstellung, welche schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels darstellt, welche MEAs (Membranelektrodenanordnung) in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält;
2 ist eine Draufsicht, welche den Aufbau einer kathodenseitigen Platte des Brennstoffzellenstapels zeigt;
3 ist eine Draufsicht, welche den Aufbau einer anodenseitigen Platte des Brennstoffzellenstapels zeigt;
4 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer Mittelplatte des Brennstoffzellenstapels zeigt;
5 ist eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau einer Dichtung zeigt, die einteilig mit der MEA des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist;
6 ist eine Vergrößerungsdarstellung, die die Verbindungsstruktur der Dichtung und der MEA zeigt, d.h. einen Bereich R, der von der gestrichelten Linie in der 1 umkreist ist;
7 ist eine Darstellung, die die Verbindungsstruktur mit einem Expansionselement T in einem Brennstoffzellenmodul eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung enthält; und
8 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellenmoduls Mj in einem modifizierten Beispiel 2 zeigt.

Beste Art, die Erfindung auszuführen
Einige Arten der Ausführung der Erfindung sind unten in dem folgenden Abschnitt als bevorzugte Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:

A. Erstes Ausführungsbeispiel
- A1. Aufbau des Brennstoffzellenstapels
- A2. Aufbau der Dichtung
B. Zweites Ausführungsbeispiel
C. Abwandlungen

A. Erstes Ausführungsbeispiel
A1. Aufbau des Brennstoffzellenstapels
1 ist eine Schnittdarstellung, welche schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. In der folgenden Beschreibung sind die Richtung „x“, „y“ und „z“ wie in der 1 dargestellt definiert. Der Brennstoffzellenstapel 100 des ersten Ausführungsbeispiels ist als ein Stapel von Polymerelektrolytbrennstoffzellen aufgebaut. Wie in der 1 gezeigt, hat der Brennstoffzellenstapel 100 viele Einheitszellen 10, die aufeinander in „x“-Richtung über Separatoren 30 geschichtet sind. Der in den Polymerelektrolytbrennstoffzellen 100 des Ausführungsbeispiels eingesetzte Separator 30 ist ein dreischichtiger Separator, welcher drei verschiedenartige Platten enthält. Ein Aufbau einer Einheitszelle 10 und eines Paares von Separatoren 30, die quer über der Einheitszelle 10 angeordnet sind, werden hiernach als ein Modul bezeichnet.
Die Einheitszelle 10 hat eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und ein Paar zweiter Gasdiffusionsschichten 14 und 15, die an den jeweiligen Außenflächen der MEA angeordnet sind. Die MEA enthält eine Elektrolytmembran 20, eine Kathode 22 und eine Anode 24, die quer über der Elektrolytmembran 20 angeordnet sind und als Katalysatorelektroden an den einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran 20 ausgebildet sind, und ein Paar erster Gasdiffusionsschichten 26 und 28, die außerhalb der jeweiligen Katalysatorelektroden 22 und 24 angeordnet sind.
Die Elektrolytmembran 20 ist eine Protonenleitende Ionenaustauschmembran aus einen Festkörperpolymermaterial beispielsweise Perfluorcabonsulfonsäure basierendes Fluorharz und hat die gute elektrische Leitfähigkeit in nassem Zustand. Die Kathode 22 und die Anode 24 haben ein Katalysatormetall, um die elektrochemische Reaktion zu beschleunigen, beispielsweise Platin oder eine Platin basierende Legierung. Ein typisches Verfahren zur Herstellung der Kathode 22 und der Anode 24 sieht Kohlepulver mit dem Katalysatormaterial vor wie beispielsweise Platin, welches darauf getragen ist, bereitet eine Katalysatorpaste zu, indem das Katalysator getragene Kohlepulver mit einem Elektrolytmaterial vermischt wird, welches mit dem Elektrolytmaterial der Elektrolytmembran 20 identisch ist, und bringt die Katalysatorpaste an den einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran 20 auf. Die ersten Gasdiffusionsschichten 26 und 28 sind aus einem porösen Kohlematerial beispielsweise Kohlegewebe oder Kohlepapier. Die Elektrolytmembran 20 mit den an ihren einander gegenüberliegenden Flächen angeordneten Katalysatorelektroden 22 und 24 ist einteilig mit den ersten Gasdiffusionsschichten 26 und 28 beispielsweise durch Pressen ausgebildet, um die MEA zu umgeben. Die Elektrolytmembran 20 hat die gute elektrische Leitfähigkeit in nassem Zustand wie oben erwähnt. Der Brennstoffzellenstapel 100 des Ausführungsbeispiels hat dementsprechend eine hohe Leistungserzeugungseffizienz in nassem Zustand der Elektrolytmembranen 20.
Die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 sind aus einem porösen Metallmaterial wie beispielsweise einem geschäumten Metall oder einem netzartigen Metall. In dem Aufbau des Ausführungsbeispiels wird ein poröses Titanmaterial für die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 eingesetzt. Die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 sind vorgesehen, um den gesamten zwischen der MEA und den Separatoren 30 gebildeten Raum zu besetzen. Der innere Raum, welcher durch eine große Anzahl von Poren in jeder der zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 gebildet ist, dient als ein Einheitszellen-Gasdurchfluss, um ein Durchtreten des Reaktionsgases für die elektrochemische Reaktion zu ermöglichen. Obwohl die Innenräume der ersten Gasdiffusionsschichten 26 und 28 auch den Durchtritt der Gase ermöglichen, bilden die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 den Hauptraum für den Durchtritt der Reaktionsgase, welche zu jeder Einheitszelle 10 zugeführt werden. Der Innenraum, der durch die große Anzahl an Poren in der zweiten Gasdiffusionsschicht 14 gebildet ist, welche zwischen der Kathode 22 und dem Separator 30 angeordnet ist, dient als Einheitszellen-Oxidationsgasdurchgang, um ein Durchtritt eines Sauerstoff enthaltenen Oxidationsgases (Kathodengas) zu ermöglichen. Der Innenraum, der durch die große Anzahl an Poren in der zweiten Gasdiffusionsschicht 15 gebildet ist, die zwischen der Anode 24 und dem Separator 30 angeordnet ist, dient als ein Einheitszellenbrennstoffgasdurchtritt, um einen Durchtritt eines wasserstoffreichen Brennstoffgases (Anodengas) zu ermöglichen.
Die MEA hat einen Leistungserzeugungsbereich, der die Zufuhr des Reaktionsgases (Brennstoffgas und Oxidationsgas) erhält und elektrische Leistung erzeugt, wie in 1 gezeigt.
Der Separator 30 enthält eine kathodenseitige Platte 31 benachbart zu der zweiten Gasdiffusionsschicht 14, eine anodenseitige Platte 32 benachbart zu der zweiten Gasdiffusionsschicht 15 und eine Mittelplatte 33, welche zwischen der kathodenseitigen Platte 31 und der anodenseitigen Platte 32 wie in der 1 eingesetzt wird. Diese drei Platten sind dünne Bleche aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Edelstahl, Titan oder einer Titan basierenden Legierung. Die kathodenseitige Platte 31, die Mittelplatte 33 und die anodenseitige Platte 32 sind in dieser Reihenfolge aufeinander gelegt und beispielsweise durch eine Diffusionsverbindung miteinander verbunden. Die drei Platten haben ebene Flächen ohne Welligkeiten und erforderliche Öffnungen vorgegebener Form, die an vorher festgelegten Positionen ausgebildet sind.
2 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der kathodenseitigen Platte 31 zeigt. 3 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der anodenseitigen Platte 32 zeigt. 4 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Mittelplatte 33 zeigt.
Die Aufbauten dieser drei Platten werden mit Bezugnahme auf die 2 bis 4 im Detail beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen einen Leistungssammlungsbereich, der dem Leistungserzeugungsbereich auf der MEA entspricht, um Elektrizität über die zweite Gasdiffusionsschicht 14 oder die zweite Gasdiffusionsschicht 15 zu sammeln.
Die kathodenseitige Platte 31 (siehe 2) und die anodenseitige Platte 32 (siehe 3) haben jeweils sechs Öffnungen, die an übereinstimmenden Positionen ausgebildet sind. Die übereinstimmenden Öffnungen in der Beschichtung der jeweiligen dünnen Bleche 31, 33 und 33 sind fluchtend, um einen Verteiler zu bilden, um den Fluss jedes Fluides parallel zu der Schichtungsrichtung des Brennstoffzellenstapels 100 zu gestalten. Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist ein Langloch 40 entlang einer Seite des im Wesentlichen rechtwinkligen Umfangs in jeder der kathodenseitigen Platte 31 und der anodenseitigen Platte 32 ausgebildet. Ein Langloch 41 ist entlang einer gegenüberliegenden Seite des im Wesentlichen rechtwinkligen Umfangs, die der Seite des Langlochs 40 gegenüberliegt, ausgebildet. Öffnungen 42 und 44 sind entlang einer der verbleibenden zwei Seiten des im Wesentlichen rechtwinkligen Umfangs jeweils in der kathodenseitigen Platte 31 und der anodenseitigen Platte 32 ausgebildet. Öffnungen 43 und 45 sind entlang der anderen Seite des im Wesentlichen rechtwinkligen Umfangs ausgebildet, welche der Seite der Öffnungen 42 und 44 gegenüberliegt. Die Mittelplatte 33 (siehe 4) hat vier von den Öffnungen 44 und 45 verschiedene Öffnungen an den jeweiligen übereinstimmenden Positionen. Die Mittelplatte 33 hat eine Vielzahl von Kühlmediumsöffnungen 58, die ausgebildet sind, die Positionen der Öffnungen 44 und 45 zu überlappen.
Die in den jeweiligen Platten 31, 33 und 32 (siehe 2 bis 4) ausgebildeten Langlöcher 40 definieren einen Oxidationsgas-Zufuhrverteiler, um den Fluss des Oxidationsgases, welches dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, in die jeweiligen Einheitszellen 10 zu verteilen. Der Oxidationsgas-Zufuhrverteiler ist als „O₂ Ein“ in den Zeichnungen gekennzeichnet. Die in den jeweiligen Platten 31, 33 und 32 ausgebildeten Langlöcher 41 definieren einen Oxidationsgas-Abgasverteiler, um den gemeinsamen Fluss des Oxidationsabgases, welches von den jeweiligen Einheitszellen 10 ausgestoßen wird, nach außen zu führen. Der Oxidationsgas-Abgasverteiler ist als „O₂ Aus“ in den Zeichnungen gekennzeichnet. Die in den jeweiligen Platten 31, 33 und 32 ausgebildeten Öffnungen 42 definieren einen Brennstoffgas-Zufuhrverteiler, um den Fluss des Brennstoffgases, welcher dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, in die jeweiligen Einheitszellen 10 zu verteilen. Der Brennstoffgas-Zufuhrverteiler ist als „H₂ Ein“ in den Zeichnungen gekennzeichnet. Die in den jeweiligen Platten 31, 33 und 32 ausgebildeten Öffnungen 43 definieren einen Brennstoffgas-Abgasverteiler, um den gemeinsamen Fluss des Brennstoffgases, welches von den jeweiligen Einheitszellen 10 ausgestoßen wird, nach außen zu führen. Der Brennstoff-Abgasverteiler ist als „H₂ Aus“ in den Zeichnungen gekennzeichnet. Die in der kathodenseitigen Platte 31 und der anodenseitigen Platte 32 ausgebildeten Öffnungen 44 definieren einen Kühlmedium-Zufuhrverteiler, um den Fluss eines Kühlmediums, beispielsweise Kühlwassers, welches dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, in die jeweiligen Separaten 30 zu verteilen. Der Kühlmedium-Zufuhrverteiler ist als „Wasser Ein“ in den Zeichnungen gekennzeichnet. Die in der kathodenseitigen Platte 31 und der anodenseitigen Platte 32 ausgebildeten Öffnungen 45 definieren einen Kühlmedium-Auslassverteiler, um den gemeinsamen Fluss des Ausströmkühlwassers, welches von den jeweiligen Separatoren 30 abgegeben wird, nach außen zu führen. Der Kühlmedium-Auslassverteiler ist als „Wasser Aus“ in den Zeichnungen gekennzeichnet.
Wie in der 2 gezeigt, weist die kathodenseitige Platte 31 eine Vielzahl von Verbindungsaperturen 50 auf, die kleiner sind als das Langloch 40 und in der Nähe des Langlochs 40 angeordnet sind, um parallel zu dem Langloch 40 ausgerichtet zu sein. Die kathodenseitige Platte 31 hat auch eine Vielzahl von Verbindungsaperturen 51, die kleiner sind als das Langloch 41 und in der Nähe des Langlochs 41 angeordnet sind, um parallel zu dem Langloch 41 ausgerichtet zu sein. Wie in der 3 gezeigt hat die anodenseitige Platte 32 eine Vielzahl von Verbindungsaperturen 52, die kleiner sind als die Öffnung 42 und in der Nähe der Öffnung 42 angeordnet sind, um parallel zu der Öffnung 42 ausgerichtet zu sein. Die anodenseitige Platte 32 hat auch eine Vielzahl von Verbindungsaperturen 53, die kleiner sind als die Öffnung 43 und in der Nähe der Öffnung 43 angeordnet sind, um parallel zu der Öffnung 43 ausgerichtet zu sein. Wie in der 4 zu sehen hat die Mittelplatte 33 die Öffnung 40 mit einer Form abweichend von denen der Öffnungen 40, die in den anderen Platten 31 und 32 ausgebildet sind. In der Mittelplatte 33 steht die Innenseite der Öffnung 40 in Richtung des Leistungssammlungsbereichs vor, um eine Vielzahl vorstehender Aperturen oder Verbindungsaperturen 54 zu bilden. Die Verbindungsaperturen 54 sind angeordnet, um jeweils die Verbindungsaperturen 50 bei der Schichtung der Mittelplatte 3 und der kathodenseitigen Platte 31 zu überlappen und verbinden den Oxidationsgas-Zufuhrverteiler mit den Verbindungsaperturen 50. Die mittlere Platte 33 hat auf ähnliche Weise eine Vielzahl von Verbindungsaperturen 55, 56 und 57, die von den Öffnungen 41, 42 und 43 vorstehen, um die Verbindungsaperturen 51, 52 und 53 jeweils zu überlappen.
Wie in der 1 gezeigt, wird das Oxidationsgas, welches durch den Oxidationsgas-Zufuhrverteiler läuft, der durch die Öffnungen 40 der jeweiligen Platten 31, 33 und 32 in dem Brennstoffzellenstapel 100 definiert ist, in den Einheitszellen-Oxidationsgasfließweg, der in der zweiten Oxidationsgasschicht 14 ausgebildet ist, über die Verbindungsaperturen 54 der mittleren Platte 33 und die Verbindungsaperturen 50 der kathodenseitigen Platte 31 eingeströmt. Das Oxidationsgas in dem Einheitszellen-Oxidationsgasfließweg fließt in Richtung parallel zu der Gasdiffusionsschicht 14 (in der Oberflächenrichtung) und diffundiert weiter in Richtung senkrecht zu der Oberflächenrichtung (Schichtungsrichtung). Das in Schichtungsrichtung diffundierte Oxidationsgas gelangt von der zweiten Gasdiffusionsschicht 4 über die erste Gasdiffusionsschicht 26 zu der Kathode 22, um für die elektrochemische Reaktion genutzt zu werden. Nach der elektrochemischen Reaktion tritt das Oxidationsgas, welches den Einheitszellen-Oxidationsgasfließweg durchschreitet, von der zweiten Gasdiffusionsschicht 14 über die Verbindungsaperturen 51 der kathodenseitigen Platte 31 und die Verbindungsaperturen 55 der mittleren Platte 33 hindurch, um in den Oxidationsgas-Austrittsverteiler abgeführt zu werden, welcher durch die Öffnung 41 der jeweiligen Platten 31, 33 und 32 definiert ist. Das Brennstoffgas, welches durch die Öffnungen 42 der jeweiligen Platten 31, 33 und 32 in dem Brennstoffzellenstapel 10 definierten Brennstoffgas-Zufuhrverteiler läuft, wird über die Verbindungsaperturen 56 der mittleren Platte 33 und die Verbindungsaperturen 53 der anodenseitigen Platte 32 in den in der zweiten Gasdiffusionsschicht 15 ausgebildeten Einheitszellen-Brennstoffgasfließweg geleitet. Das Brennstoffgas in dem Einheitszellen-Brennstoffgasfließweg fließt in Oberflächenrichtung und diffundiert weiter in der Schichtungsrichtung. Das in Schichtungsrichtung diffundierte Brennstoffgas geht von der zweiten Gasdiffusionsschicht 15 über die erste Gasdiffusionsschicht 28 zu der Anode 24, um für die elektrochemische Reaktion genutzt zu werden. Nach der elektrochemischen Reaktion geht das durch den Einheitszellen-Brennstoffgasfließweg tretende Brennstoffgas von der zweiten Gasdiffusionsschicht 15 über die Verbindungsaperturen 53 der anodenseitigen Platte 32 und die Verbindungsaperturen 57 der mittleren Platte 33, um zu dem durch die Öffnungen 43 der jeweiligen Platten 31, 33 und 32 definierten Brennstoffgas-Auslassverteiler abgeführt zu werden.
Die mittlere Platte 33 hat eine Vielzahl langer Kühlmediumsöffnungen 58, die parallel zueinander angeordnet sind. Die jeweiligen Enden der Kühlmediumöffnungen 58 überlappen die Öffnungen 44 und 45 in Schichtung der mittleren Platte 33 mit den anderen dünnen Blechplatten 31 und 32, um Zwischenzellen-Kühlmediumfließwege für den Fluss des Kühlmediums in den Separator 30 zu bilden. Das Kühlmedium, welches durch den durch die Öffnungen 44 des Brennstoffzellenstapels 100 definierten Kühlmediums-Zufuhrverteiler fließt, wird in die Zwischenzellen-Kühlmediumfließwege aufgeteilt, die durch die Kühlmediumöffnungen 58 definiert sind. Der gemeinsame Fluss des Auslasskühlmediums von dem Zwischenzellenkühlmedium wird dem Kühlmedium-Auslassverteiler zugeführt, der durch die Öffnungen 45 in dem Brennstoffzellenstapel 100 definiert ist.
A2 Aufbau der Dichtung
Der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß 1 hat auch eine Dichtung 16, die sich zwischen jedem Paar benachbarter Separatoren 30 befinden und an dem Umfang der MEA angeordnet ist. Die Dichtung 16 ist der charakteristische Teil der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau der Dichtung 16 zeigt, welche einteilig mit der MEA des in der 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels 100 ausgebildet ist. Die Dichtung 16 ist in „x“-Richtung in 5 gezeigt. Die gestrichelte Linie in der 5 stellt den Umfang der MEA dar, welcher in die Dichtung 16 eingebettet ist. 6 ist eine vergrößerte Darstellung, die den Verbindungsaufbau der Dichtung 16 und der MEA zeigt, das bedeutet einen Bereich R, der von der gestrichelten Linie in der 1 umgeben ist.
Die Dichtung 16 ist aus einem dielektrischen Kunststoffmaterial mit Elastizität hergestellt, wie beispielsweise Silikongummi, Butylgummi oder Fluorgummi, und ist mit der MEA (siehe 6) kombiniert. Ein typisches Herstellungsverfahren ordnet die MEA in einer Kavität einer Gießform an und bringt das dielektrische Kunstharzmaterial mittels Spritzgießen ein, um die Dichtung 16 zu bilden. Die porösen ersten Gasdiffusionsschichten 26 und 28 werden so mit dem dielektrischen Kunststoffmaterial imprägniert. Die Imprägnierung baut die Dichtung 16 dicht an der MEA ein und sichert die ausreichende Gasdichtungseigenschaft zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der MEA. Die Dichtung 16 hat ein Elastizitätsmodul Gk in Richtung entlang der Flächen der Elektrolytmembran 20 (Membranoberflächenrichtung: „y“-Richtung).
Die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 haben eine mit der Form des Leistungserzeugungsbereichs, der mit schraffierten Linien in der 5 gefüllt ist, identische Form. Die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 sind so in den Leistungserzeugungsbereich der Dichtung 16 eingebettet. Die in dem Leistungserzeugungsbereich eingebetteten zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 sind nämlich kleiner als die MEA. Die zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 sind kleiner als die ersten Gasdiffusionsschichten 26 und 28 und sind so angeordnet, dass ihre Umfänge auf den Flächen der Katalysatorelektroden 22 und 24 und der ersten Gasdiffusionsschichten 26 und 28 liegen.
Wie in der 5 gezeigt, ist die Dichtung 16 ein im Wesentlichen rechtwinkliges dünnes Plattenelement und hat sechs Öffnungen an den Randbereichen und eine im Wesentlichen rechtwinklige zentrale Öffnung. Die sechs Öffnungen entsprechen den in der kathodenseitigen Platte 31 (siehe 2) oder den in der anodenseitigen Platte 32 (siehe 3) ausgebildeten Öffnungen. Die MEA ist in der im Wesentlichen rechtwinkligen zentralen Öffnung der Dichtung 16 eingebettet. Die Dichtung 16 ist nicht flach, sondern hat eine vorher festgelegte Konkav-Konvexform wie in der 6 gezeigt. In dem Brennstoffzellenstapel 100 hat die Dichtung 16 einen konvexen Abschnitt, der die sechs Öffnungen und die zentrale Öffnung umgibt und in Berührung mit dem benachbarten Separator 30 ist. Die Berührungsposition der Dichtung 16 mit dem Separator 30 wird eine Dichtungsposition SL (siehe 1, 5 und 6) genannt. Die Dichtung 16 ist wie oben erwähnt aus dem elastischen Kunstharzmaterial hergestellt. Das Aufbringen einer Druckkraft in Schichtungsrichtung befestigt so die Dichtung 16 an der Dichtposition FL in dem Brennstoffzellenstapel 100. Diese Anordnung verhindert effizient Rückwärtsflüsse der den zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 zugeführten Reaktionsgase (Oxidationsgas und Brennstoffgas) in die jeweiligen Zufuhrverteiler.
Die Dichtung 16 des Ausführungsbeispiels hat einen gewundenen oder wellenförmigen Aufbau, der sich in die Membranoberflächenrichtung erstreckt, um zwischen der Dichtposition SL zur Befestigung der MEA und einer MEA-Halteposition HL angeordnet zu sein, um die MEA wie in der 6 gezeigt zu halten. Der gewölbte Aufbau ist in der Membranoberflächenrichtung expandierbar und bildet ein Expansionselement S. Ein Elastizitätsmodul Gs des Expansionselementes S in Membranoberflächenrichtung ist höher als das Elastizitätsmodul Gk der Dichtung 16 anders als das Expansionselement S. Ein gekreuzt schraffierter Bereich in 5 zeigt das Expansionselement S.
Wie oben beschrieben hat in dem Brennstoffzellenstapel 100 des ersten Ausführungsbeispiels die Dichtung 16 das Expansionselement S zwischen der Dichtposition SL zur Befestigung der MEA und der MEA-Halteposition HL zum Halten der MEA. Das Elastizitätsmodul Gs des Expansionselements S ist höher als das Elastizitätsmodul Gk des verbleibenden Teils der Dichtung 16. Die Elektrolytmembran 20 kann in Membranoberflächenrichtung in dem Brennstoffzellenstapel 100 über wiederholte Leistungserzeugungszyklen mit zeitweiligen Ruhezeitdauern expandiert oder kontrahiert werden. Das Expansionselement S der Dichtung 16 wird mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran 20 expandiert oder kontrahiert und baut so die auf die Elektrolytmembran 20 aufgebrachte Spannung ab. Dieser Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels verhindert effizient ein Altern der Elektrolytmembran 20 aufgrund Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran 20 in Membranoberflächenrichtung.
Die Dichtung 16 hat einen mit dem Expansionselement S gekoppelten Aufbau, um verschiedene Funktionen auszuführen. Diese Funktionen schließen die Gasdichteigenschaft zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der MEA, die Funktion des Verhinderns von Rückflüssen der den zweiten Gasdiffusionsschichten 14 und 15 zugeführten Reaktionsgase in die jeweiligen Zufuhrverteiler, die Funktion der Befestigung der MEA und die Funktion des Haltens der MEA ein. Dieser kombinierte Aufbau vermindert wünschenswerterweise die Gesamtanzahl von Teilen verglichen mit dem herkömmlichen Aufbau zur Durchführung dieser Funktion durch separate Elemente.
Die Dichtung 16 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht dem Halteelement und dem Befestigungselement der Erfindung, und das Expansionselement S des ersten Ausführungsbeispiels entspricht dem Expansionselement der Erfindung.
B. Zweites Ausführungsbeispiel
7 ist eine Darstellung, die den Verbindungsaufbau zeigt, welcher ein Expansionselement T in einem Brennstoffzellenmodul eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung enthält. Ein Brennstoffzellenstapel des zweiten Ausführungsbeispiels hat einen ähnlichen Aufbau zu dem des Brennstoffzellenstapels 100 des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme des Verbindungsaufbaus der Dichtung mit einer Elektrolytmembran. Gleiche Elemente werden durch gleiche Bezugsziffern und Symbole ausgedrückt und werden hier nicht besonders beschrieben. Die vergrößerte Darstellung der 7 zeigt nur den Verbindungsaufbau der Verbindung 16' mit einer Elektrolytmembran 20' in dem Brennstoffzellenmodul des zweiten Ausführungsbeispiels wie die vergrößerte Darstellung der 6.
Die Dichtung 16' des zweiten Ausführungsbeispiels hat grundsätzlich einen ähnlichen Aufbau wie die Dichtung 16 des ersten Ausführungsbeispiels, wobei das Expansionselement S, wie in der 7 gezeigt, weggelassen wurde. Die Elektrolytmembran 20' des zweiten Ausführungsbeispiels hat einen Nicht-Beschichtungsbereich an ihrem Umfang. Dort sind die Katalysatorelektroden (Kathode 22 und Anode 24) in dem Umfangs-Nicht-Beschichtungsbereich nicht beschichtet. Der Nicht-Beschichtungsbereich der Elektrolytmembran 20' hat einen gewundenen oder wellenförmigen Aufbau, der sich in die Membranoberflächenrichtung erstreckt. Der gewundene Aufbau ist in Membranoberflächenrichtung expandierbar und bildet ein Expansionselement T. Die Dichtung 16' des zweiten Ausführungsbeispiels hält ein Ende des Nicht-Beschichtungsbereichs der Elektrolytmembran 20'. Diese Anordnung ermöglicht eine ausreichende Gasdichtungseigenschaft zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der MEA. Wie die Dichtung 16 des ersten Ausführungsbeispiels ist die Dichtung 16' des zweiten Ausführungsbeispiels an der Dichtposition SL befestigt. Ein Elastizitätsmodul Ms des Expansionselements T in Membranoberflächenrichtung ist höher als das Elastizitätsmodul Gk der Dichtung 16. Es existiert keine Beschichtung der Katalysatorelektroden in dem Nicht-Beschichtungsbereich. Der Nicht-Beschichtungsbereich ist ein Nicht-Leistungserzeugungsbereich ohne Leistungserzeugung.
Wie oben beschrieben weist in dem Brennstoffzellenstapel des zweiten Ausführungsbeispiels die Elektrolytmembran 20' ein Expansionselement T in dem Nicht-Beschichtungsbereich ohne Beschichtung der Katalysatorelektroden auf. Das Elastizitätsmodul Ms des Expansionselements T ist höher als das Elastizitätsmodul Gk der Dichtung 16. Die Elektrolytmembran 20' kann in Membran-Oberflächenrichtung in dem Brennstoffzellenstapel durch wiederholte Leistungserzeugungszyklen mit zeitweiligen Ruhezeitdauern expandiert oder kontrahiert werden. Das Expansionselement T, welches in dem Nicht-Beschichtungsbereich der Elektrolytmembran 20' ausgebildet ist, wird mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran 20' expandiert und kontrahiert und baut so die auf die Elektrolytmembran 20' aufgebrachte Spannung ab. Dieser Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels verhindert effizient das Altern der Elektrolytmembran 20' aufgrund der Expansion und Kontraktion der Elektrolytmembran 20' in Membran-Oberflächenrichtung.
Die Dichtung 16' des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem Halteelement und dem Befestigungselement der Erfindung und das Expansionselement T des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem Expansionselement der Erfindung.
C. Abwandlungen
Die oben diskutierten Ausführungsbeispiele sollen in allen Aspekten als erläuternd und nicht beschränkend verstanden werden. Es können viele Abwandlungen, Änderungen und Umbauten existieren, ohne von dem Umfang oder dem Gedanken der Hauptcharakteristika der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
C1. Abgewandeltes Beispiel 1
In dem Brennstoffzellenstapel 100 des ersten Ausführungsbeispiels ist es wesentlich, dass jede Dichtung 16 die Funktion des Haltens der MEA inne hat und die Funktion, an dem Separator 30 zusätzlich zu dem Expansionselement S befestigt zu sein. Die mit diesen essentiellen Funktionen versehene Dichtung kann in Brennstoffzellenstapeln mit verschiedenen Aufbauten angewendet werden. Beispielsweise kann die Dichtung 16 bevorzugter Weise an einen Brennstoffzellenstapel angepasst werden, in dem ein voreingestelltes Packelement oder Dichtelement zwischen der Dichtung 16 und den Separator 30 eingesetzt ist. Die Dichtung 16 hat ähnliche Wirkungen in dieser Anwendung zu den oben beschriebenen. In diesem Aufbau wird die Dichtung 16 über die Packelemente an dem Separator 30 befestigt.
C2. Abgewandeltes Beispiel 2
In dem Brennstoffzellenstapel des zweiten Ausführungsbeispiels wird die Elektrolytmembran 20' der MEA durch die Dichtung 16' gehalten und befestigt. Dieser Aufbau ist jedoch nicht wesentlich für die Technik der Erfindung. Die MEA des zweiten Ausführungsbeispiels kann auf ein Brennstoffzellenmodul Mj, wie in der 8 gezeigt angewandt werden.
8 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch den Aufbau des Brennstoffzellenmoduls Mj in dem abgewandelten Beispiel 2 zeigt. Das Brennstoffzellenmodul Mj hat Stützbefestigungselemente V, die an beiden Enden einer kathodenseitigen Platte 301 und einer anodenseitigen Platte 302 vorgesehen sind. Das Ende des Nicht-Beschichtungsbereichs der Elektrolytmembran 20' ist zwischen dem Stützbefestigungselement V der kathodenseitigen Platte 301 und dem Stützbefestigungselement V der anodenseitigen Platte 302 eingesetzt. Dieser Aufbau unterstützt und befestigt effizient die Elektrolytmembran 20'. Für ein besseres Verständnis weist die Darstellung der 8 Zwischenräume zwischen der MEA und der kathodenseitigen Platte 301 und zwischen der MEA und der anodenseitigen Platte 302 auf. Jedes der Stützbefestigungselemente V der kathodenseitigen Platte 301 und der anodenseitigen Platte 302 weist ein Dichtungselement 310 wie in der 8 gezeigt auf. Die Dichtungselemente 310 werden gegen die Elektrolytmembran 20' gedrückt, wenn das Ende des Nicht-Beschichtungsbereichs der Elektrolytmembran 20' zwischen das Stützbefestigungselement V der kathodenseitigen Platte 301 und das Stützbefestigungselement V der anodenseitigen Platte 302 eingesetzt wird. Dieser Aufbau sichert wünschenswerter Weise die ausreichende Dichtungseigenschaft zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der MEA.
Wie oben beschrieben, wird in dem abgeänderten Beispiel 2 die MEA des zweiten Ausführungsbeispiels auf das Brennstoffzellenmodul Mj angewandt. Die Elektrolytmembran 20' kann in der Membranoberflächenrichtung in dem Brennstoffzellenmodul Mj über wiederholte Leistungserzeugungszyklen mit zeitweiligen Ruhezeitdauern expandiert oder kontrahiert werden. Das in den Nichtbeschichtungsbereich der Elektrolytmembran 20' ausgebildete Expansionselement T wird mit der Expansion oder Kontraktion der Elektrolytmembran 20' expandiert und kontrahiert und baut so die auf die Elektrolytmembran 20' aufgebrachte Spannung ab. Der Aufbau des angewandelten Beispiels 2 verhindert effizient ein Altern der Elektrolytmembran 20' aufgrund der Expansion und Kontraktion der Elektrolytmembran 20' in Membranoberflächenrichtung. Das Stützbefestigungselement V des abgewandelten Beispiels 2 entspricht dem Halteelement und dem Befestigungselement der Erfindung.
C3. Abgewandeltes Beispiel 3
In dem Brennstoffzellenstapel 100 des ersten Ausführungsbeispiels wird das Expansionselement S der Dichtung 16 entlang des gesamten Umfangs der Dichtung 16 (siehe den gekreuzt schraffierten Bereich in 5) ausgebildet. Das Prinzip der Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Das Expansionselement S kann entlang zumindest eines Teils des Umfangs der Dichtung 16 ausgebildet sein.
C4. Abgewandeltes Beispiel 4
In den Brennstoffzellestapel des zweiten Ausführungsbeispiels ist der Nicht-Beschichtungsbereich entlang des gesamten Umfangs der Elektrolytmembran 20' ausgebildet. Das Prinzip der Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Nicht-Beschichtungsbereich kann entlang zumindest eines Teils des Umfangs der Elektrolytmembran 20' ausgebildet sein. In diesem abgewandelten Aufbau kann das Expansionselement T in zumindest einen Teil des Nicht-Beschichtungsbereichs der Elektrolytmembran 20' ausgebildet sein. Wenn der Nicht-Beschichtungsbereich entlang des gesamten Umfangs der Elektrolytmembran 20' ausgebildet ist, kann das Expansionselement T in nur einem Teil des Nicht-Beschichtungsbereichs der Elektrolytmembran 20' ausgebildet sein.

Claims

Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) mit: einer Elektrolytmembran (20) aus einem Feststoffpolymer; Katalysatorelektrodenschichten (22, 24), die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytenmembran (20) angeordnet und ausgebildet sind; Gasseparatoren (30), die Reaktionsgas-Zufuhrfließwege bilden, um einen Durchtritt von einer elektrochemischen Reaktion ausgesetzten Reaktionsgasen zu den Katalysatorelektrodenschichten zu ermöglichen; einem Halteelement, das sich an dem Umfang der Elektrolytmembran (20) und der Katalysatorelektrodenschichten (22, 24) befindet, um zumindest die Elektrolytmembran (20) zu stützen; einem Expansionselement (S), das mit dem Halteelement verbunden ist, um in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung expandierbar zu sein; einem Befestigungselement, das mit dem Expansionselement (S) verbunden ist, um an den Gasseparatoren (30) befestigt zu sein; und einer Dichtung (16), wobei die Dichtung (16) das Halteelement, das Expansionselement (S) und das Befestigungselement umfasst.
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) mit: einer Elektrolytmembran (20') aus einem Feststoffpolymer; Katalysatorelektrodenschichten (22, 24), die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran (20') angeordnet und ausgebildet sind; einem Halteelement, das sich auf dem Umfang der Elektrolytmembran (20') befindet, um zumindest die Elektrolytmembran (20') zu stützen; und einem Befestigungselement, das das Halteelement befestigt, wobei die Elektrolytmembran (20') einen Nicht-Beschichtungsbereich ohne Beschichtung der Katalysatorelektrodenschichten (22, 24) an dem Umfang der Elektrolytmembran (20') aufweist, wobei die Elektrolytmembran (20') ein Expansionselement (T) aufweist, das zumindest in einem Teil des Nicht-Beschichtungsbereichs vorgesehen ist und in einer Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung expandierbar ist, wobei entweder das Halteelement oder das Befestigungselement zumindest einen Teil einer Dichtung (16') bildet, die aktiviert wird, um eine Gasdichtungseigenschaft zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran (20') zu sichern; wobei ein Elastizitätsmodul (Ms) des Expansionselements (T) in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung höher ist als ein Elastizitätsmodul (Gk) der Dichtung (16').
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Gasseparatoren (30) flache Oberflächen ohne Wellen aufweisen.
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Expansionselement (S) ein höheres Elastizitätsmodul (Gs) in Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung aufweist, als ein Elastizitätsmodul des Halteelements oder ein Elastizitätsmodul des Befestigungselements.
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Polymerelektrolytbrennstoffzelle ferner Gasdiffusionsschichten (26, 28) aufweist, die außerhalb der jeweiligen Katalysatorelektrodenschichten (22, 24) angeordnet sind und aus einem elektrisch leitfähigen porösen Material gebildet sind.
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Expansionselement (S, T) einen gewundenen Aufbau hat.
Eine Dichtung (16, 16'), die bei einer Elektrolytbrennstoffzelle (10) eingesetzt wird, wobei die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (10) aufweist: eine Elektrolytmembran (20, 20') aus einem Feststoffpolymer; Katalysatorelektrodenschichten (22, 24), die an zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran (20, 20') angeordnet und ausgebildet sind; und Gasseparatoren (30), wobei die Dichtung (16, 16') aktiviert wird, um die Gasdichtungseigenschaft zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran (20, 20') zu sichern, wobei die Dichtung (16, 16') umfasst: ein Halteelement, das sich an dem Umfang der Elektrolytmembran (20, 20') und den Katalysatorelektrodenschichten (22, 24) befindet, um zumindest die Elektrolytmembran (20, 20') zu stützen; ein Expansionselement (S, T) mit einem zumindest teilweise gewölbten oder wellenförmigen Aufbau, das mit dem Halteelement verbunden ist, um in einer Elektrolytmembran-Oberflächenrichtung expandierbar zu sein; und ein Befestigungselement, das mit dem Expansionselement (S, T) verbunden ist, um an den Gasseparatoren (30) befestigt zu sein.