DE112007000024B4

DE112007000024B4 - Brennstoffzelle des Festkörperpolymer-Typs und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE112007000024B4
Application number: DE112007000024T
Authority: DE
Inventors: Norihiko Kawabata; Takashi Morimoto; Hiroki Kusakabe; Toshihiro Matsumoto; Yoshiki Nagao
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-04-21
Also published as: KR100838929B1; JP4077509B2; US7541108B2; US20090029217A1; JPWO2007123191A1; DE112007000024T5; CN101322269A; KR20080027762A; CN101322269B; WO2007123191A1

Abstract

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, die umfasst:
eine mit dem Rahmen integrierte Membranelektrodenanordnung (1), die einen Rahmenkörper (3), in dem eine Gaskanalöffnung (7) gebildet ist, eine innerhalb des Rahmenkörpers (3) vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran, ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, und eine Dichtungsmasse, die die Gaskanalöffnung und die Elektroden einschließt, enthält;
ein Trennstück (11) mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Brennstoffgases zu und von einer Elektrode des Elektrodenpaars; und
ein Trennstück (12) mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Oxidationsmittelgases zu und von der anderen Elektrode des Elektrodenpaars, wobei:
der Rahmenkörper (3) mehrere Vorsprünge (9-1, 9-2, 9-3, 9-4) mit einer hakenförmigen Neigung auf beiden Ebenen des Rahmenkörpers (3) besitzt und wobei jedes Trennstück (11; 12) mehrere abgestufte Teile (10-1, 10-2, 10-3, 10-4) besitzt; und
die Vorsprünge des Rahmenkörpers (3) und die abgestuften Teile (10-1, 10-2, 10-3, 10-4) des Trennstückpaars (11, 12) durch Ineinanderpressen miteinander integriert sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle (solid polymer fuel cell), die einen Polymer-Elektrolyten verwendet.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle, die einen Polymer-Elektrolyten verwendet, wird für die transportable Leistungsversorgung, für die Leistungsversorgung von Elektrofahrzeugen, für die Kraft-Wärme-Kopplung im Haushalt (Home Cogeneration) usw. verwendet.
Eine Brennstoffzelle, die einen Polymer-Elektrolyten verwendet, erzeugt gleichzeitig elektrische Leistung und Wärme, indem veranlasst wird, dass ein Brennstoffgas, das Wasserstoff enthält, und ein Oxidationsmittelgas, das Luft enthält, wie etwa Sauerstoff, elektrochemisch miteinander reagieren.
Eine Brennstoffzelle, die einen Polymer-Elektrolyten verwendet, enthält allgemein eine Polymer-Elektrolyt-Membran, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, und ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt.
Die Elektroden enthalten eine Katalysatorschicht, die hauptsächlich aus Kohlenstoffpartikeln besteht, die einen Metallkatalysator der Platingruppe tragen, und eine Gas diffusionsschicht, die außerhalb der Katalysatorschicht gebildet ist und die sowohl atmungsaktiv als auch elektronenleitend ist.
Um zu verhindern, dass zugeführtes Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas nach außen entweichen, oder um zu verhindern, dass sich die zwei Gase miteinander mischen, sind um die Elektroden eine Gasdichtungsmasse und Dichtungen in der Weise vorgesehen, dass der Polymer-Elektrolyt dazwischen liegt. Die Dichtungsmasse und die Dichtungen werden im Voraus einteilig mit den Elektroden und mit der Polymer-Elektrolyt-Membran zusammengesetzt. Diese Anordnung wird als eine "MEA (Membranelektrodenanordnung)" bezeichnet.
Auf beiden Ebenen einer MEA sind leitende Trennstücke angeordnet, um die MEA mechanisch zu halten und um die MEA mit benachbarten MEAs in Reihe elektrisch zu verbinden. Auf der Fläche, auf der sich das Trennstück und der MEA-Kontakt berühren, ist ein Kanal gebildet, um der Elektrodenoberfläche ein Reaktionsgas zuzuführen und um das erzeugte Wasser und das überschüssige Gas abzuführen. Der Kanal kann abseits von den Trennstücken vorgesehen sein, wobei als Kanal aber üblicherweise eine Nut auf den Oberflächen der Trennstücke vorgesehen ist. Darüber hinaus sind im Allgemeinen mehrere Batteriezellen, in denen jede Zelle aus einer MEA und aus einem Trennstückpaar hergestellt ist, miteinander gestapelt und die MEAs elektrisch in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen und einen Zellenstapel zur praktischen Verwendung herzustellen.
Falls dann, wenn eine Batteriezelle durch Kombination einer MEA und eines Trennstückpaars hergestellt wird, zwischen der Elektrodenoberfläche einer MEA und der Kanaloberfläche eines Trennstücks eine Verlagerung auftritt, wird die effektive Reaktionsfläche verringert und kann eine gewünschte Spannung nicht erhalten werden. Dar über hinaus werden dann, wenn mehrere Batteriezellen miteinander gestapelt sind, eine MEA und ein Trennstückpaar, die eine Batteriezelle ergeben, vorzugsweise so integriert, dass eine Verlagerung zwischen MEAs und Trennstücken verhindert wird.
Um die Positionen der MEA und eines Trennstückpaars einer Batteriezelle zu regulieren und diese Komponenten zu integrieren, ist ein Verfahren des Einführens von Positionsstiften in Durchgangsbohrungen, die in der MEA und in dem Trennstückpaar an anderen Stellen als den Reaktionsoberflächen vorgesehen sind, und des Befestigens der Positionsstifte mit Sprengringen, um zu verhindern, dass die Stifte fallen, vorgeschlagen worden (Patentdokument 1).
Es sind ein Vorschlag des Integrierens einer MEA und eines Trennstückpaars durch Umklammern der Umfangskanten der MEA und der Trennstücke unter Verwendung eines klemmenähnlichen Teils (siehe Patentdokument 2) oder ein Vorschlag des Befestigens eines Trennstückpaars, zwischen dem eine MEA liegt, miteinander über Harzsaugnäpfe (siehe Patentdokument 3) gemacht worden.

Patentdokument 1: japanische Offenlegungsschrift JP 2000-012067 A
Patentdokument 2: japanische Offenlegungsschrift JP 2004-241208 A
Patentdokument 3: japanische Offenlegungsschrift JP 2005-142000 A

DE 103 01 052 B4 beschreibt eine Bipolareinheit, die eine integrierte Abdichtung für interne Kanalsysteme aufweist, so dass bei der Herstellung nur zwei Bauteile mit einander verbunden werden müssen. Die integrierte Abdichtung grenzt mit ihrer zur MEA zugewandten Seite an die PEM der MEA an und dichtet dadurch die Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels gegenüber der äußeren Umgebung ab. Zusätzlich kann die Abdichtung in einem ersten Bereich platziert sein und eine Öffnung abdichten und gleichzeitig in einem zweiten Bereich, dem Randbereich der Öffnung mit einem darüber heraus ragenden Teil, diese beabstanden von den anderen Bauteilen des Brennstoffstapels. Somit wird im Randbereich der Teilplatten durch die vorgeformte Abdichtung das innere Kanalsystem gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet, und gleichzeitig werden die Teilplatten voneinander beabstandet, wobei die Abdichtung Kräfte auf die Teilplatten ausübt und diese zumindest in den Umfassungsbereichen verbindet und fixiert.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Da die Positionen der MEA und eines Trennstückpaars wie oben beschrieben herkömmlich unter Verwendung von Befestigungsteilen wie etwa Positionsstiften oder Klemmen reguliert werden, gibt es Probleme, dass die Anzahl notwendiger Teile zunimmt, dass die Herstellungskosten zunehmen, dass die Montagearbeit kompliziert wird und dass die Herstellungsvorlaufzeit verlängert wird.
Da darüber hinaus, wenn Positionsstifte oder dergleichen verwendet werden, ein Stift unter Verwendung eines Sprengrings oder dergleichen befestigt werden muss, müssen die Trennstücke eine bestimmte Dicke haben. Darüber hinaus erzeugt das Befestigen mit Befestigungsteilen eine Druckbelastung, sodass die Trennstücke eine bestimmte Dicke haben müssen. Darüber hinaus sind diese Verfahren schwer auf Brennstoffzellen anzuwenden, von denen allgemein gefordert wird, dass sie miniaturisiert sind.
Da die Befestigung mit Positionsstiften erfordert, dass die Größe einer Bohrung, in die ein Stift eingeführt wird, mit einem bestimmten Spielraum in Bezug auf die Stiftgröße eingestellt wird, kann darüber hinaus die Positionsverlagerung nicht vollständig beseitigt werden.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zum Integrieren einer MEA und eines Trennstückpaars und zum Regulieren ihrer Positionen ohne Verwendung dedizierter Teile für die Positionsregulierungsverwendung zu schaffen. Dies ermöglicht, die Positionsverlagerung, wenn Batteriezellen gestapelt werden, zu unterdrücken, sodass durch einen einfachen Prozess eine Polymer-Elekt rolyt-Brennstoffzelle hergestellt werden kann, die eine stabile Spannung erzeugen kann.
Falls darüber hinaus eine Positionsverlagerung zwischen Batteriezellen betreffs eines Brennstoffzellenstapels stattfindet, der zwei oder mehr gestapelte Batteriezellen enthält, verringert sich die Kontaktfläche zwischen Nachbartrennstücken und kann eine geforderte Spannung wegen des erhöhten Kontaktwiderstands nicht erhalten werden. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zum Regulieren der Positionen der Batteriezellen und zum Integrieren eines Brennstoffzellenstapels ohne Verwendung dedizierter Teile zur Befestigungsverwendung zu schaffen.
Mittel zur Lösung des Problems
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffbatteriezelle einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, wobei diese später ausführlich beschrieben wird.

[1] Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle schaffen, mit: einer mit dem Rahmen integrierten Membranelektrodenanordnung, die einen Rahmenkörper, in dem eine Gaskanalöffnung gebildet ist, eine innerhalb des Rahmenkörpers vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran, ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, und eine Dichtungsmasse, die die Gaskanalöffnung und die Elektroden einschließt, enthält; einem Trennstück mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Brennstoffgases zu und von einer Elektrode des Elektrodenpaars; und einem Trennstück mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Oxidationsmittelgases zu und von der anderen Elektrode des Elektrodenpaars, wobei in dieser Brenn stoffzelle der Rahmenkörper mehrere Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung auf beiden Ebenen des Rahmenkörpers besitzt und wobei jedes Trennstück mehrere abgestufte Teile besitzt; und die Vorsprünge des Rahmenkörpers und die abgestuften Teile des Trennstückpaars durch Ineinanderpressen miteinander integriert sind.
[2] In der in [1] beschriebenen Brennstoffzelle können die Vorsprünge in der Umgebung der Gaskanalöffnung angeordnet sein.
[3] In der in [1] beschriebenen Brennstoffzelle ist der hakenförmige Teil der Neigung des Vorsprungs von dem Rahmenkörper nach innen orientiert.
[4] In der in [1] beschriebenen Brennstoffzelle sind der Druck des Brennstoffgases und der Druck des Oxidationsmittelgases, die durch den Kanal jedes der Trennstücke fließen, verschieden und sind die mehreren Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung, die auf einer Ebene des Rahmenkörpers gebildet sind, die dem Trennstück, wo das Gas mit einem höheren Druck strömt, zugewandt ist, weiter innerhalb des Rahmens angeordnet als die mehreren Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung, die auf einer Ebene des Rahmenkörpers gebildet sind, die dem Trennstück, wo ein Gas mit einem niedrigeren Druck strömt, zugewandt ist. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der zwei oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthält.
[5] Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung kann z. B. ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel sein, der zwei oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthält, in dem jede Zelle besitzt: eine mit dem Rahmen integ rierte Membranelektrodenanordnung, die einen Rahmenkörper, in dem eine Gaskanalöffnung gebildet ist, eine innerhalb des Rahmenkörpers vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran, ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, und eine Dichtungsmasse, die die Gaskanalöffnung und die Elektroden einschließt, enthält; ein Trennstück mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Brennstoffgases zu und von einer Elektrode des Elektrodenpaars; und ein Trennstück mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Oxidationsmittelgases zu und von der anderen Elektrode des Elektrodenpaars, wobei in diesem Stapel der Rahmenkörper mehrere Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung auf beiden Ebenen des Rahmenkörpers besitzt und wobei jedes Trennstück mehrere abgestufte Teile besitzt und die Vorsprünge des Rahmenkörpers und die abgestuften Teile des Trennstückpaars durch Ineinanderpressen miteinander integriert sind.
[6] In dem in [5] beschriebenen Brennstoffzellenstapel: enthält der Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle A und eine Brennstoffzelle B, die benachbart zueinander gestapelt sind; besitzt jeder der Rahmenkörper der Brennstoffzelle A und der Brennstoffzelle B mehrere zweite Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung und besitzt das Trennstück der Brennstoffzelle B mehrere zweite abgestufte Teile; und sind die zweiten Vorsprünge des Rahmenkörpers der Brennstoffzelle A und die zweiten abgestuften Teile der Brennstoffzelle B durch Ineinanderpressen miteinander integriert.
[7] In dem in [5] beschriebenen Brennstoffzellenstapel: enthält der Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle A und eine Brennstoffzelle B, die zueinander benachbart gestapelt sind; besitzt jeder der Rahmenkörper der Brennstoffzelle A und der Brennstoffzelle B mehrere zweite Vorsprünge und mehrere Kerben, wobei die Vorsprünge und die Kerben abwechselnd angeordnet sind; und sind die zweiten Vorsprünge und die Kerben der Brennstoffzelle A mit den zweiten Vorsprüngen und mit den Kerben der Brennstoffzelle B ineinandergepresst.

Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung sind eine MEA und ein Trennstückpaar, die eine Batteriezelle bilden, in regulierten Positionen in der Weise integriert, dass eine stabile Spannung erzeugt wird. Darüber hinaus kann die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise ohne Verwendung dedizierter Teile hergestellt werden, sodass die vorliegende Erfindung eine preiswerte Hochleistungs-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle schafft.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 1, die eine mit dem Rahmen integrierte MEA, ein anodenseitiges Trennstück und ein katodenseitiges Trennstück zeigt;
1B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Umgebung der Vorsprünge des Rahmenkörpers und der abgestuften Vertiefungen an den Trennstücken, wenn die Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 1 zusammengesetzt ist, wobei sie den hakenförmigen Teil der nach außen orientierten Vorsprünge zeigt;
1C ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Umgebung der Vorsprünge des Rahmenkörpers und der abgestuften Vertiefungen der Trennstücke, wenn die Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 1 zusammengesetzt ist, wobei sie den hakenförmigen Teil der nach innen orientierten Vorsprünge zeigt;
2 ist eine ausführliche perspektivische Teilquerschnittsansicht der Umgebung der Vorsprünge des Rahmenkörpers, der abgestuften Vertiefungen und der Positionslöcher der Trennstücke, wenn eine Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 2 zusammengesetzt ist;
3 ist eine ausführliche perspektivische Teilquerschnittsansicht der Umgebung der Vorsprünge des Rahmenkörpers und der abgestuften Teile der Trennstücke, wenn eine Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 3 zusammengesetzt ist;
4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 4, die eine mit dem Rahmen integrierte MEA, ein anodenseitiges Trennstück und ein katodenseitiges Trennstück zeigt;
5 ist eine perspektivische Querschnittsansicht von zwei miteinander gestapelten Batteriezellen in einem Brennstoffzellenstapel gemäß Ausführungsform 5, die zeigt, dass die Batteriezellen zu einer integriert sind;
6 ist eine perspektivische Querschnittsansicht von zwei Batteriezellen eines Brennstoffzellenstapels gemäß Ausführungsform 6, die miteinander gestapelt sind, wobei sie zeigt, dass die Batteriezellen integriert sind und dass die Vorsprünge ineinandergepresst sind, um die Positionen zu regulieren;
7 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß Ausführungsform 7, die zeigt, dass eine Endeinheit, die aus einer Sammelplatte und aus einem Gas-Zufuhr/Freisetzungs-Verteiler hergestellt ist, mit einem Batteriezellenstapel integriert ist;
8 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 1, die eine mit dem Rahmen integrierte MEA, ein anodenseitiges Trennstück, ein katodenseitiges Trennstück, eine Endmodul und einen Befestigungsbolzen und eine Mutter zeigt; und
9 zeigt die Struktur des Vorsprungs des Rahmenkörpers und des abgestuften Teils des Trennstücks der mit dem Rahmen integrierten MEA gemäß Ausführungsform 1.
Beste Ausführungsart der Erfindung
1. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung:
Die Merkmale der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung enthalten die Integration einer mit dem Rahmen integrierten MEA und eines Trennstückpaars. Eine mit dem Rahmen integrierte MEA und Trennstücke sind durch Ineinanderpessen der hakenförmigen Neigungen der in dem Rahmenkörper der mit dem Rahmen integrierten MEA vorgesehenen Vorsprünge mit den in den Trennstücken vorgesehenen abgestuften Teilen integriert. Die Einzelheiten werden später beschrieben.
Die mit dem Rahmen integrierte MEA:
Die mit dem Rahmen integrierte MEA enthält einen Rahmenkörper, der Gaskanalöffnungen enthält, eine innerhalb des Rahmenkörpers vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran, ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, und eine Dichtungsmasse, die die Gaskanalöffnungen und die Elektroden umschließt, wobei sie alle miteinander integriert sind.
In dem Rahmenkörper sind Gaskanalöffnungen gebildet. Gase, die durch die Gaskanalöffnungen strömen, enthalten das Brennstoffgas und das Oxidationsmittelgas, wobei die Kanalöffnungen für jedes Gas getrennt vorgesehen sind. Darüber hinaus können in den Rahmenteilen des Rahmenkörpers Kanalöffnungen gebildet sein, wo das Kühlmittel fließt.
Das Material des Rahmenkörpers ist vorzugsweise ein Harz auf Olefingrundlage, das eine hohe chemische Beständigkeit aufweist und wenig Elution zulässt (z. B. Polypropylen, Polyethylen usw.), um die Elution zu verringern und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Darüber hinaus erfordert das Material des Rahmenkörpers eine hohe Temperaturbeständigkeit, da die Temperatur in der Umgebung, in der die Brennstoffzelle verwendet wird, näherungsweise 60 bis 80 Grad beträgt. Somit ist Polypropylen das für den Rahmenkörper am meisten bevorzugte Material.
Die Polymer-Elektrolyt-Membran ist nicht auf bestimmte Arten beschränkt, solange sie eine Dünnschichtmembran ist, die zulässt, dass Wasserstoffionen durchgehen, und die Elektronen sperrt. Üblicherweise wird eine Fluorharz-Polymer-Membran verwendet.
Das Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, besteht aus einer Sauerstoffelektrode (oder "Katode"), der ein Oxidationsmittel zugeführt wird, und aus einer Brennstoffelektrode (oder "Anode"), der ein Brennstoffgas zugeführt wird. Diese Elektroden sind nicht auf bestimmte Arten beschränkt und können Kohlenstoff-tragende Katalysatoren wie etwa Platin verwenden.
Die Dichtungsmassen sind Komponenten, um zu verhindern, dass Gase, die durch die Gaskanalöffnungen oder Elektroden strömen, nach außen entweichen, und um zu verhindern, dass Außengase in die Gaskanalöffnungen oder Elektroden eintreten. Das Material der Dichtungsmasse ist üblicherweise Gummi oder dergleichen.
Darüber hinaus ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass in dem Rahmenkörper der mit dem Rahmen integrierten MEA ein Vorsprung gebildet ist, der eine hakenförmige Neigung besitzt. "Eine hakenförmige Neigung" bedeutet hier, dass die Neigung jedes Vorsprungs als eine Klaue dient. Der Vorsprung kann in einer Ebene oder in beiden Ebenen (d. h. auf der Anodenseite und auf der Katodenseite) des Rahmens vorgesehen sein, ist aber vorzugsweise auf beiden Seiten vorgesehen. Die Anzahl der Vorsprünge ist nicht besonders beschränkt, muss aber wenigstens zwei sein. Der hakenförmige Teil an der Neigung des in dem Rahmenkörper gebildeten Vorsprungs kann mit der Stufe des abgestuften Teils des Trennstücks (das später beschrieben wird) ineinandergepresst werden sein.
Üblicherweise ist die Höhe des Vorsprungs kleiner als die Dicke des Trennstücks. Wenn der Vorsprung dünn ist, kann der Vorsprung an dem Rahmenkörper von dem Trennstück vorstehen. Wenn solche Brennstoffbatteriezellen gestapelt werden, um einen Batteriestapel zu bilden, kann an dem Trennstück einer Batteriezelle eine Vertiefung vorgesehen sein, damit der Vorsprung von dem Trennstück der Nachbarbatteriezelle nicht vorsteht.
Wie in 9 gezeigt ist, ist in Bezug auf das hakenförmige Teil an der Neigung des Vorsprungs (d. h. die "Klaue") die Höhe der Klaue Y1 vorzugsweise näherungsweise auf 1/5 von Y2, d. h. auf die Höhe des Vorsprungs bis zu der Klaue, eingestellt.
Vorzugsweise ist der Vorsprung an einer Position in der Umgebung der Gaskanalöffnung vorgesehen. Darüber hinaus ist das hakenförmige Teil an der Neigung des Vorsprungs vorzugsweise zu einer nahe liegenden Dichtungsmasse orientiert und vorzugsweise zur Innenseite des Rahmens des Rahmenkörpers orientiert, sodass sich die Dichtungswirkung der Dichtungsmasse verbessert.
Darüber hinaus kann der Vorsprung innerhalb des Rahmens des Rahmenkörpers (z. B. in der Umgebung des Umfangs) (siehe Vorsprung 9 in 1) vorgesehen sein oder kann er in den Kanten des Umfangs des Rahmens des Rahmenkörpers (siehe Vorsprung 9 in 3) angeordnet sein.
Darüber hinaus kann der Vorsprung auch nur in einem Teil des Umfangs des Rahmens des Rahmenkörpers angeordnet sein. Wie in 4 gezeigt ist, können z. B. im Fall eines rechteckigen Rahmenkörpers nur an zwei der vier Seiten Vorsprünge 9 (Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung) vorgesehen sein. Falls an den anderen zwei Seiten ein Positionsanschlag mit hoher Starrheit angeordnet ist, können die Trennstücke zuverlässiger an der mit dem Rahmen integrierten MEA befestigt werden (Einzelheiten werden später anhand von 4 beschrieben).
Wie oben beschrieben wurde, sind auf einer Ebene oder an beiden Ebenen des Rahmenkörpers Vorsprünge angeordnet. Wenn an beiden Ebenen Vorsprünge angeordnet sind, können die Positionen der Vorsprünge gegeneinander verschoben sein. Wenn die Positionen der Vorsprünge verschoben sind, befindet sich der Vorsprung, der in der Ebene vorgesehen ist, wo der höhere Druck des durch die Kanäle strömenden Brennstoffgases oder Oxidationsmittelgases herrscht, vorzugsweise näher bei der Dichtungsmasse (die üblicherweise weiter innerhalb des Rahmens angeordnet ist), sodass sich die Dichtungswirkung der Dichtungsmasse verbessert.
Darüber hinaus kann in dem Rahmenkörper der mit dem Rahmen integrierten MEA ein stiftförmiger Positionsvorsprung (der keine hakenförmige Neigung besitzt) gebildet sein. Der stiftförmige Positionsvorsprung wird in ein (später beschriebenes) Positionsloch eingeführt, das in den Trennstücken vorgesehen ist.
Die Trennstücke:
In einem Trennstück eines in der Batteriezelle der vorliegenden Erfindung enthaltenen Trennstückpaars ist eine Nut gebildet, wo das Brennstoffgas strömt, wobei durch diese Nut das Brennstoffgas der Brennstoffelektrode zugeführt oder von ihr freigesetzt wird. In dem anderen Trennstück des in der Batteriezelle der vorliegenden Erfindung enthaltenen Trennstückpaars ist eine Nut gebildet, wo das Oxidationsmittelgas strömt, wobei durch diese Nut das Oxidationsmittelgas der Luftelektrode zugeführt oder von ihr freigesetzt wird.
Das Trennstück braucht lediglich aus einem leitenden Material hergestellt zu sein und ist normalerweise aus einem Kohlenstoffmaterial hergestellt, kann aber auch aus einer Metallplatte oder dergleichen hergestellt sein. Wenn als Trennstück eine Metallplatte verwendet wird, kann das abgestufte Teil (das später beschrieben wird) in einer verdrehten Form gebildet sein.
Die Dicke des Trennstücks ist näherungsweise 2 bis 3 mm, wobei es aber dünner hergestellt werden kann.
Das abgestufte Teil ist in dem Trennstück in der Weise vorgesehen, dass es mit dem hakenförmigen Teil an der Neigung des Vorsprungs an dem Rahmenkörper ineinandergepresst werden kann. Das abgestufte Teil ist auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Trennstückoberfläche, wo die Nut für die Gaskanäle gebildet ist, gebildet.
Wenn der Vorsprung innerhalb des Rahmens des Rahmenkörpers gebildet ist, kann das abgestufte Teil an dem Trennstück "eine abgestufte Vertiefung" (siehe die abgestufte Vertiefung 10 in 1) sein, und wenn der Vorsprung an der Kante des Rahmenkörpers gebildet ist, können das abgestufte Teil an dem Trennstück "in der Kante vorgesehene Stufen" (siehe das abgestufte Teil 15 in 3) sein.
Wenn der Rahmenkörper einen stiftförmigen Positionsvorsprung besitzt, ist darüber hinaus in dem Trennstück ein Positionsloch gebildet (siehe das Positionsloch 14 in 2). Wenn der stiftförmige Positionsvorsprung des Rahmenkörpers in das Positionsloch des Trennstücks eingeführt wird, werden die Positionen der MEA und des Trennstücks genauer.
Die Batteriezelle der vorliegenden Erfindung wird dadurch zusammengesetzt und integriert, dass die oben beschriebene mit dem Rahmen integrierte MEA und ein Trennstückpaar vorbereitet werden; dass die mit dem Rahmen integrierte MEA und das Trennstückpaar so gestapelt werden, dass die mit dem Rahmen integrierte MEA zwischen dem Trennstückpaar liegt; und dass der Stapel in der Stapelrichtung so gepresst wird, dass der Vorsprung in dem Rahmenkörper mit dem abgestuften Teil in den Trennstücken ineinandergepresst wird. Falls der Rahmenkörper einen stiftförmigen Vorsprung und das Trennstück ein Positionsloch besitzt, wird der stiftförmige Vorsprung in das Positionsloch eingeführt.
Da die Batteriezelle der vorliegenden Erfindung auf diese Weise unter Verwendung der in dem Rahmen der mit dem Rahmen integrierten MEA vorgesehenen Vorsprünge mit den Trennstücken integriert ist, besteht keine Notwendigkeit, dedizierte Teile bereitzustellen, die spezifisch für die Integrationsverwendung sind, wobei die Arbeit für die Integration äußerst einfach ist. Da die Positionierung der Trennstücke und der mit dem Rahmen integrierten MEA anhand der Vorsprünge in dem zwischen einem Trennstückpaar liegenden Rahmenkörper bestimmt wird, kann die Positionierung der Trennstücke und der mit dem Rahmen integrierten MEA darüber hinaus genauer sein.
2. Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung:
Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung besitzt ein Merkmal des Stapelns mehrerer Brennstoffbatteriezellen der vorliegenden Erfindung. Da gemäß der Brennstoffbatteriezelle der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben eine mit dem Rahmen integrierte MEA und ein Trennstückpaar zu einem integriert sind und ihre Positionen reguliert sind, wenn die Brennstoffbatteriezellen gestapelt sind, gibt es keine Verlagerung zwischen der mit dem Rahmen integrierten MEA und einem Trennstückpaar in irgendeiner Batteriezelle.
Darüber hinaus können gemäß dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung mehrere Brennstoffbatteriezellen, die gestapelt sind, integriert werden. Somit können die Rahmenkörper benachbarter Brennstoffbatteriezellen (Batteriezelle A und Batteriezelle B) in dem Brennstoffzellenstapel mehrere zweite Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung haben, wobei die Trennstücke mehrere zweite abgestufte Teile haben können.
Die zweiten Vorsprünge des Rahmenkörpers der Brennstoffzelle A können mit dem zweiten abgestuften Teil eines Trennstücks der Brennstoffzelle B ineinandergepresst werden. Somit kann dadurch, dass mehrere Batteriezellen gestapelt werden und die Zellen in der Stapelrichtung in der Weise gepresst werden, dass die zweiten Vorsprünge des Rahmenkörpers der Brennstoffzelle A mit den zweiten abgestuften Teile eines Trennstücks der Brennstoffzelle B ineinandergepresst werden (siehe 5), ein integrierter Brennstoffzellenstapel geschaffen werden.
Wenn Batteriezellen gestapelt werden, kann darüber hinaus zwischen den Batteriezellen selbst dann eine Positionsverlagerung auftreten, wenn eine Verlagerung der Positionen der mit dem Rahmen integrierten MEA und eines Trennstückpaars verhindert wird. Wenn eine Positionsverlagerung zwischen Batteriezellen auftritt, verringert sich die Kontaktfläche mit den Trennstücken der benachbarten Batteriezellen, was zu dem Problem führt, dass die geforderte Spannung wegen des erhöhten Kontaktwiderstands nicht erhalten werden kann.
Somit können die benachbarten Brennstoffbatteriezellen (Batteriezelle A und Batteriezelle B) in dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung in der Weise konstruiert sein, dass der Rahmenkörper der Batteriezelle A zweite Vorsprünge und Nocken besitzt, die abwechselnd in der Stapelrichtung verlaufen, und dass der Rahmenkörper der Batteriezelle B Nocken und zweite Vorsprünge besitzt, die abwechselnd mit den zweiten Vorsprüngen und Nocken des Rahmenkörpers der Batteriezelle A in Eingriff sind. Somit kann die Neigung der zweiten Vorsprünge hakenförmig sein.
Auf diese Weise können durch Ineinanderpressen der zweiten Vorsprünge und der Nocken benachbarter Batteriezellen mehrere Batteriezellen gestapelt werden, ohne eine Positionsverlagerung zu verursachen (siehe 6).
Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung kann eine Endeinheit enthalten, die an einem Ende mehrerer gestapelter Brennstoffbatteriezellen (d. h. des Brennstoffzellenstapels) der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
Die Endeinheit enthält eine Sammelplatte und einen aus Harz gefertigten Gas-Zufuhr/Freisetzungs-Verteiler, die einteilig zusammengesetzt sind. Es ist bevorzugt, eine vormontierte Endeinheit in den Stapel einzupassen und zu einem Teil des Brennstoffzellenstapels zu machen.
Falls z. B. in dem Gas-Zufuhr/Freisetzungs-Verteiler der Endeinheit abwechselnd abgestufte Nocken und Vorsprünge gebildet sind und die abgestuften Nocken und Vorsprünge in dem Rahmenkörper der Batteriezelle der äußersten Schicht des Brennstoffzellenstapels abwechselnd gebildet sind, ist es möglich, die Endeinheiten in den Brennstoffzellenstapel einzupassen und zu integrieren (siehe 7).
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnung ausführlich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
[Ausführungsform 1]
1A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batteriezelle der Ausführungsform 1, von der Seite der Katodenelektrode gesehen. Es sind die mit dem Rahmen integrierte MEA 1, das anodenseitige Trennstück 11 und das katodenseitige Trennstück 12 gezeigt.
Die mit dem Rahmen integrierte MEA 1 enthält einen Rahmenkörper 3 und eine innerhalb des Rahmens des Körpers 3 vorgesehene MEA 2.
Die Größe der MEA 2 ist näherungsweise 150 mm lang und 150 mm breit. Der Rahmenkörper 3 ist um die MEA 2 angeordnet. Die Außengröße des Rahmenkörpers 3 ist näherungsweise 220 mm lang und 220 mm breit. Das Material des Rahmenkörpers 3 ist ein Harz wie etwa Polypropylen. Der Rahmenkörper 3 kann durch Umspritzen unter Verwendung einer MEA 2 als ein Einsatzteil hergestellt werden.
Darüber hinaus wird die Dichtung 4 in dem Rahmenkörper 3 durch Zweifarbenformen aus Fluorgummi gebildet. Die Dichtung 4 auf der Katodenoberfläche schließt den Umfang der katodenseitigen Elektrode und der katodenseitigen Gaskanalöffnung 5, um das Entweichen von Gas zu verhindern. Darüber hinaus ist die Dichtung 4 auf der Katodenseite am Umfang des Teils 6, das die katodenseitige Elektrode und die Gaskanalöffnung 5, die ein Oxidationsmittelgas zu/von der katodenseitigen Elektrode zuführt/freisetzt, verbindet, nicht vorgesehen.
In der gleichen Weise umschließt die Dichtung auf der Anodenoberfläche den Umfang der anodenseitigen Elektrode und der anodenseitigen Gaskanalöffnung 7, um das Entweichen von Gas zu verhindern. Allerdings ist die Dichtung auf der Anodenoberfläche an Umfang des Teils, der die anodenseitige Elektrode und die Gaskanalöffnung 7, die ein Brennstoffgas zu/von der anodenseitigen Elektrode zuführt/freisetzt, verbindet, nicht vorgesehen.
Es ist eine Dichtung gebildet, die den Umfang der Kanalöffnung 8 für Kühlwasser umschließt, um zu verhindern, dass Kühlwasser nach außen entweicht.
Darüber hinaus sind im Rahmenkörper 3 vier Vorsprünge 9 (9-1 bis 9-4) mit hakenförmigen Neigungen einteilig geformt. Die Vorsprünge 9 sind vorzugsweise in der Umgebung der Gaskanalöffnung (5 oder 7) vorgesehen.
Das anodenseitige Trennstück 11 ist mit einer Nut 11-1 versehen, in der das Brennstoffgas strömt. Das katodenseitige Trennstück 12 ist gleichfalls ebenfalls mit einer Nut versehen, in der das Oxidationsmittelgas strömt.
Die Trennstücke 11 und 12 sind mit abgestuften Vertiefungen 10 (10-1 bis 10-4) versehen. Die Positionen der abgestuften Vertiefungen 10 entsprechen den Positionen der Vorsprünge 9, die in dem Rahmenkörper gebildet sind, wobei die Vertiefungen 10 außerdem so geformt sind, dass die Vorsprünge 9 eingeführt werden können.
Wenn das anodenseitige Trennstück 11 und das katodenseitige Trennstück 12 gestapelt werden, wobei die mit dem Rahmen integrierte MEA 1 dazwischen liegt, und in der Stapelrichtung gepresst werden, werden die Vorsprünge 9 mit einer hakenförmigen Neigung in die abgestuften Vertiefungen 10 eingepasst, wobei die drei Teile (die mit dem Rahmen integrierte MEA 1, das Trennstück 11 und das Trennstück 12) miteinander integriert werden, um eine Batteriezelle zu bilden. 1B und 1C sind vergrößerte Ansichten, die den Zustand des Vorsprungs 9 und der abgestuften Vertiefung 10 einer integrierten Batteriezelle zeigen. Wie in 1B und 1C gezeigt ist, sind der hakenförmige Teil der Neigung des Vorsprungs 9 des Rahmenkörpers 3 und die Stufe der Trennstücke 11 und 12 ineinandergepresst und integriert. Der hakenförmige Teil der Neigung des Vorsprungs 9 kann nach außen orientiert sein (1B), wobei die Wirkung der Dichtungsmasse 4 aber verbessert sein kann, wenn sie nach innen orientiert ist (1C).
[Ausführungsform 2]
2 ist eine ausführliche perspektivische Teilquerschnittsansicht einer Batteriezelle (nach der Montage) der Ausführungsform 2. Die Grundstruktur der Batteriezelle der Ausführungsform 2 ist dieselbe wie die der Batteriezelle der Ausführungsform 1, wobei Erläuterungen der gleichen Teile weggelassen werden.
Der Rahmenkörper 3 der mit dem Rahmen integrierten MEA 1 ist wie in Ausführungsform 1 mit einem Vorsprung 9 mit einer hakenförmigen Neigung versehen, wobei darüber hinaus einteilig ein stiftförmiger Vorsprung 13 zur Positionierung gebildet ist. Darüber hinaus sind wie in Ausführungsform 1 Trennstücke 11 und 12 mit einer abgestuften Vertiefung 10 vorgesehen, die ferner an einer dem stiftförmigen Vorsprung 13 entsprechenden Position mit einem Positionsloch 14 versehen sind.
Da der Vorsprung 9 und die abgestufte Vertiefung 10 ineinandergepresst sind und der stiftförmige Vorsprung 13 in das Positionsloch 14 eingepasst ist, ist eine Batteriezelle gebildet, in der eine MEA und Trennstücke an genaueren Positionen fixiert sind. Der hakenförmige Teil der Neigung des Vorsprungs 9 ist in 2 nach außen orientiert, kann aber ebenfalls nach innen orientiert sein.
[Ausführungsform 3]
3 ist eine ausführliche perspektivische Teilquerschnittsansicht einer Batteriezelle (nach der Montage) von Ausführungsform 3. Die Grundstruktur der Batteriezelle der Ausführungsform 3 ist dieselbe wie die der Bat teriezelle der Ausführungsform 1, wobei Erläuterungen der gleichen Teile weggelassen werden.
Anders als die Vorsprünge 9 der Ausführungsform 1 sind die Vorsprünge 9 der Ausführungsform 3 in den Kanten des Umfangs des Rahmenkörpers 3 der mit dem Rahmen integrierten MEA 1 vorgesehen. Darüber hinaus sind die Trennstücke 11 und 12 der Ausführungsform 3 am Umfang mit Stufen 15 versehen, die den Vorsprüngen 9 entsprechen, wobei es keine abgestufte Vertiefung gibt, die in der Ausführungsform 1 vorhanden ist.
Die in den Kanten des Rahmenkörpers 3 gebildeten Vorsprünge 9 sind mit Stufen 15 der Trennstücke 11 und 12 so ineinandergepresst, dass sie eine integrierte Batteriezelle bilden. Der Rahmenkörper 3 ist üblicherweise aus Harz hergestellt. Somit wird eine Batteriezelle geschaffen, deren gesamter Umfang mit Harz bedeckt ist. Falls der Wärmewirkungsgrad des Rahmenkörpers verbessert wird, indem er zu einer hochtemperaturbeständigen Komponente gemacht wird, kann wenig von der in der Batteriezelle erzeugten Wärme entweichen, sodass die Wärme wiederverwendet werden kann. Darüber hinaus kann das Bedecken der Trennstückkomponenten auch einen Kurzschluss verhindern.
[Ausführungsform 4]
4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Batteriezelle der Ausführungsform 4, von der Seite der Katodenelektrode aus gesehen.
Auf zwei Seiten 3-A sind im Umfang des (quadratischen) Rahmenkörpers 3 der mit dem Rahmen integrierten MEA 1 aufeinander folgend mehrere Vorsprünge 9 mit einer hakenförmigen Neigung angeordnet. Die Vorsprünge 9 sind vor zugsweise aus einem Material mit verhältnismäßig niedriger Starrheit hergestellt.
Andererseits sind in den anderen zwei Seiten 3-B Vorsprünge 16 (mit einem kanalförmigen Querschnitt) vorgesehen.
Die Vorsprünge 16 nehmen die Trennstücke auf, die in senkrechten Richtungen in Bezug auf die Stapelrichtung gleiten können, und halten sie.
Andererseits sind in den Kanten des Umfangs des Trennstücks 11 und des Trennstücks 12 Stufen 15 so vorgesehen, dass sie mit den Neigungen der Vorsprünge 9 und der Vorsprünge 16 des Rahmens ineinandergepresst werden können.
Die Montage eines Batteriezellenstapels erfordert (1) dass Pressen des Trennstücks 11 und des Trennstücks 12 in die Umgebung des Vorsprungs 16 mit hoher Starrheit im Rahmenkörper 3, um ihre Positionen zu fixieren, und (2) das weitere Pressen der gestapelten Trennstücke in der Stapelrichtung, um den Vorsprung 9 zu dem hakenförmigen Teil der Neigung in die Stufen 15 der Trennstücke 11 und 12 einzuführen. Dies veranlasst, dass der elastisch verformte Vorsprung 9 mit niedriger Starrheit mit dem hakenförmigen Teil der Neigung in die Stufen 15 der Trennstücke 11 und 12 eingepasst wird. Damit werden der Rahmenkörper 3 der mit dem Rahmen integrierten MEA 1 und ein Trennstückpaar 11 und 12 integriert, um eine Batteriezelle zu bilden.
[Ausführungsform 5]
5 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels, in dem Batteriezellen gestapelt sind. In 5 sind zwei Batteriezellen (d. h. eine Batteriezelle A und eine Batteriezelle B) gestapelt. Die Batteriezelle A enthält einen Rahmenkörper 3A einer mit dem Rahmen integrierten MEA und ein Trennstückpaar 11A und 12A und die Batteriezelle B enthält einen Rahmenkörper 3B einer mit dem Rahmen integrierten MEA und ein Trennstückpaar 11B und 12B.
An beiden Ebenen der Rahmenkörper 3 (3A und 3B) jeder mit dem Rahmen integrierten MEA der Batteriezelle sind Vorsprünge 9 (9A und 9B) mit einer hakenförmigen Neigung einteilig vorgesehen und darüber hinaus sind in den Kannten des Rahmenkörpers 3 Vorsprünge 17 (17A und 17B) vorgesehen. Die Neigung der Vorsprünge 17 ist ebenfalls hakenförmig, wobei aber der hakenförmige Teil der Vorsprünge 17 weiter vom Rahmenkörper 3 weg als der hakenförmige Teil der Vorsprünge 9 angeordnet ist. Darüber hinaus sind in jedem Rahmenkörper 3 stiftförmige Vorsprünge 13 (13A und 13B) vorgesehen.
Andererseits sind in den Trennstücken 11 (11A und 11B) und in den Trennstücken 12 (12A und 12B) abgestufte Vertiefungen 10 (10A und 10B) und Positionslöcher 14 (14A und 14B) vorgesehen. Darüber hinaus sind in den Kanten des Umfangs der Trennstücke 11 Stufen 18 (18A und 18B) vorgesehen.
Die Vorsprünge 9 im Rahmenkörper 3 sind in abgestufte Vertiefungen 10 in den Trennstücken eingeführt und die hakenförmigen Teile der Vorsprünge 9 sind mit den Stufen der abgestuften Vertiefungen 10 ineinandergepresst. Andererseits sind die stiftförmigen Vorsprünge 13 des Rahmenkörpers 3 in Positionslöcher 14 in den Trennstücken eingeführt.
Darüber hinaus ist gemäß dem in 5 gezeigten Brennstoffzellenstapel das hakenförmige Teil des Vorsprungs 17A des Rahmenkörpers 3A der Batteriezelle A mit der Stufe 18B der Kante des Trennstücks 11B der Batteriezelle B ineinandergepresst. Somit wird ein Brennstoffzellenstapel erhalten, in dem mehrere Batteriezellen integriert sind.
[Ausführungsform 6]
6 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels, der durch das Stapeln von Batteriezellen erhalten wird. Da der in 6 gezeigte Brennstoffzellenstapel dieselbe Grundstruktur wie der in 5 gezeigte Brennstoffzellenstapel hat, werden Erläuterungen der gleichen Teile weggelassen.
In 6 sind zwei Batteriezellen (Batteriezelle A und Batteriezelle B) gestapelt.
Auf beiden Ebenen des Rahmenkörpers 3 (3A und 3B) der mit dem Rahmen integrierten MEA der jeweiligen Batteriezellen sind einteilig geformte Vorsprünge 9 (9A und 9B) mit einer hakenförmigen Neigung vorgesehen, wobei ferner in den Kanten des Rahmenkörpers 3 Vorsprünge 17 (17A und 17B) vorgesehen sind. Die Neigung der Vorsprünge 17 ist ebenfalls hakenförmig und das hakenförmige Teil der Vorsprünge 17 ist weiter vom Rahmenkörper 3 weg als das hakenförmige Teil der Vorsprünge 9 angeordnet. Die Vorsprünge 17 stehen sowohl von der hinteren Ebene als auch von der vorderen Ebene des Rahmenkörpers vor und sind auf der Vorderseite und auf der Rückseite abwechselnd angeordnet.
Darüber hinaus ist jeder Rahmenkörper 3 mit stiftförmigen Vorsprüngen 13 (13A und 13B) versehen.
Andererseits sind Trennstücke 11 (11A und 11B) und Trennstücke 12 (12A und 12B) mit abgestuften Vertiefungen 10 (10A und 10B) und Positionslöchern 14 (14A und 14B) vorgesehen. Darüber hinaus sind in den Kanten des Umfangs der Trennstücke 11 (11A und 11B) Stufen 18 (18A und 18B) vorgesehen.
Die Vorsprünge 9 des Rahmenkörpers 3 sind in die abgestuften Vertiefungen 10 der Trennstücke eingeführt und die hakenförmigen Teile der Vorsprünge 9 sind mit den Stufen der abgestuften Vertiefungen 10 zusammengepasst. Andererseits sind die stiftförmigen Vorsprünge 13 des Rahmenkörpers 3 in die Positionslöcher 14 in den Trennstücken eingeführt.
In dem in 6 gezeigten Brennstoffzellenstapel ist der Vorsprung 17A des Rahmenkörpers 3A der Batteriezelle A mit dem Vorsprung 17B des Rahmenkörpers 3B der Batteriezelle B ineinandergepresst, wodurch die Positionen der Batteriezelle fixiert sind. Darüber hinaus ist in dem Brennstoffzellenstapel aus 6 ähnlich dem Brennstoffzellenstapel aus 5 der hakenförmige Teil des Vorsprungs 17A des Rahmenkörpers 3A der Batteriezelle A mit der Stufe 18B an der Kante des Trennstücks 11B der benachbarten Batteriezelle B ineinandergepresst. Somit sind mehrere gegenseitig positionierte Batteriezellen integriert.
[Ausführungsform 7]
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels (nach der Montage). Der in 7 gezeigte Brennstoffzellenstapel enthält zwei gestapelte Batteriezellen (Batteriezelle A und Batteriezelle B) und ein Endmodul. Die zwei gestapelten Batteriezellen (Batteriezelle A und Batteriezelle B) sind dieselben wie der in 6 gezeigte Batteriestapel, wobei Erläuterungen davon weggelassen werden.
Das Endmodul enthält einen Gas-Zufuhr/Freisetzungs-Verteiler 20 und eine Sammelplatte 21. Das Rohr 20-1, das das Brennstoffgas, das Oxidationsmittelgas und das Fluid wie etwa Kühlwasser zu jeder Batteriezelle zuführt und von jeder Batteriezelle freisetzt, ist einteilig mit dem Gas-Zufuhr/Freisetzungs-Verteiler 20 gebildet. Der elektrische Strom kann über die Sammelplatte 21 außerhalb der Brennstoffzelle ausgekoppelt werden.
Das Endmodul ist durch Zusammenpassen von Vorsprüngen 22 mit einer hakenförmigen Neigung, die in dem Gas-Zufuhr/Freisetzungs-Verteiler 20 vorgesehen sind, mit Stufen 23, die in der Sammelplatte 21 vorgesehen sind, integriert worden.
Danach ist es durch Zusammenpassen des hakenförmigen Teils an der Neigung des Vorsprungs 17B des Rahmenkörpers 3B der Batteriezelle B einer Gruppe integrierter Batteriezellen (Batteriezelle A und Batteriezelle B), die aus mehreren gestapelten Batteriezellen hergestellt sind, mit einer Stufe 25, die in der Sammelplatte 21 vorgesehen ist, möglich, das Endmodul und die Batteriezellengruppe als einen Brennstoffzellenstapel zu integrieren.
[Beispiele]
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung ausführlicher anhand von Beispielen erläutert, wobei aber der Umfang der vorliegenden Erfindung keineswegs auf die im Folgenden beschriebenen Beispiele beschränkt ist.
[Beispiel 1]
Durch Zubereiten von Acetylenrußpartikeln, die Platinpartikel tragen, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 30 Å zu 25 Gewichts-% wird ein Katodenkatalysator erhalten. Ferner wird durch Zubereiten von Acetylenrußpartikeln, die Platinrutheniumlegierungspartikel tragen, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 30 Å zu 25 Gewichts ein Anodenkatalysator erhalten.
Der Katodenkatalysator und der Anodenkatalysator werden in Isopropylalkohol dispergiert und mit einer Ethylalkoholflüssigkeit, in der Perfluorkarbonsulfonsäureharz-Partikel dispergiert sind, gemischt, um Massen zu erhalten. Diese Massen werden unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens auf eine Seite eines Kohlenstoffvliesstoffs mit einer Dicke von 250 μm aufgetragen, um eine Katalysatorschicht zu bilden. In der erhaltenen Katalysatorschicht jeder Elektrode beträgt die Menge des Katalysatormetallgehalts 0,3 mg/cm² und ist die Menge des Perfluorsulfonsäuregehalts 1,2 mg/cm².
Abgesehen von dem Katalysatormaterial sind sie Katodenelektrode und die Anodenelektrode aus derselben Struktur hergestellt.
Es wird eine Polymer-Elektrolyt-Membran vorbereitet, die ein Perfluorsulfonsäurepolymer ist, der in einer dünnen Membran aus 30 μm hergestellt wird und der eine Fläche hat, die etwas größer als die erhaltenen Elektroden ist.
Die erhaltenen Elektroden werden im Mittelteil beider Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran angeordnet. Auf der freiliegenden Stelle wird um die Umfänge der Elektroden auf beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran eine Fluorgummilage (Dicke: 250 μm) angeordnet, von der ein Abschnitt mit einer vorgegebenen Größe ausgeschnitten worden ist. Diese Komponenten werden durch Heißpressen miteinander verbunden, um die MEA herzustellen.
Es werden die mit dem Rahmen integrierte MEA und die Trennstücke mit der in Ausführungsform 1 erläuterten Struktur vorbereitet.
In dem (aus Polypropylen hergestellten) Rahmenkörper der mit dem Rahmen integrierten MEA werden einteilig Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung gebildet. Jeder der vier Vorsprünge mit einer hakenförmigen Neigung wird in der Mitte jeder der vier Seiten des Rahmenkörpers angeordnet. In den (aus einem Kohlenstoffmaterial: 3 mm dick hergestellten) Trennstücken werden an den Positionen, die jeweils den Vorsprüngen des Rahmenkörpers entsprechen, abgestufte Vertiefungen mit einer den Vorsprüngen entsprechenden Größe vorbereitet. 9 zeigt die Struktur des Vorsprungs in dem Rahmenkörper, wobei die Stufe in dem Trennstück konkret gezeigt ist. Die Tiefe des in 9 gezeigten Vorsprungs ist 5,0 mm.
Zwischen das anodenseitige Trennstück und das katodenseitige Trennstück wird die mit dem Rahmen integrierte MEA gelegt und daraufhin werden die mit dem Rahmen integrierte MEA, das anodenseitige Trennstück und das katodenseitige Trennstück in Stapelrichtung gepresst. Im Ergebnis wird der hakenförmige Teil der Neigung der Vorsprünge des Rahmenkörpers mit einer abgestuften Vertiefung in den Trennstücken zusammengepasst und mit der Stufe verriegelt, wodurch eine integrierte Batteriezelle geschaffen wird.
Fünfzig auf diese Weise erhaltene Batteriezellen werden gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel herzustellen. Der erhaltene Brennstoffzellenstapel wird zwischen goldplattierte Kupfersammelplatten gelegt. Der Brennstoffzellenstapel wird weiter zwischen Polyphenylensulfid-Isolierplatten gelegt und dies wird weiter zwischen Endplatten aus rostfreiem Stahl gelegt. Die beiden Endplatten werden unter Verwendung von Befestigungsstäben befestigt, um einen Batteriestapel zu erhalten. Der Befestigungsdruck wird hier auf 100 N/cm² pro Flächeinheit der Elektroden eingestellt. Es wird die Leistungserzeugung des erhaltenen Brennstoffzellenstapels bewertet.
[Vergleichsbeispiel 1]
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle gemäß Vergleichbeispiel 1. Die Figur zeigt die mit dem Rahmen integrierten MEA 1', das anodenseitige Trennstück 11', das katodenseitige Trennstück 12' und ein Endmodul (das eine Sammelplatte 30, eine Isolatorplatte 31 und eine äußere Endplatte mit Rohren 32 enthält).
Die mit dem Rahmen integrierte MEA 1', das anodenseitige Trennstück 11' und das katodenseitige Trennstück 12' werden zusammen gestapelt und unter Verwendung eines Positionsstifts 35 befestigt, um eine Batteriezelle herzustellen. Mehrere dieser auf diese Weise hergestellten Batteriezellen, die Sammelplatte 30, die Isolatorplatte 31 und die äußere Endplatte mit Rohren 32 werden zusammen gestapelt und daraufhin unter Verwendung eines Bolzens 33 und einer Mutter 34 befestigt.
Das Leistungserzeugungsverhalten des Brennstoffzellenstapels aus Beispiel 1 und das des Brennstoffzellenstapels des Vergleichsbeispiels 1 sind praktisch gleich. In Beispiel 1 kann die Zeit, die das Zusammenbauen einer Batteriezelle dauert, auf etwa 1/3 derjenigen des Vergleichsbeispiels 1 verringert werden. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenstapel ohne Verwendung von Positionsstiften, Befestigungsbolzen und -Muttern oder Endplatten konfiguriert, sodass die Herstellungskosten um näherungsweise 10% gesenkt werden können.
Industrielle Anwendbarkeit
In der Batteriezelle einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung sind die Komponenten einer MEA und eines Trennstückpaars in regulierten Positionen integriert, sodass eine stabile Spannung erzeugt werden kann. Da die vorliegende Erfindung keine Spezialteile erfordert, die spezifisch für die Befestigungsverwendung vorgesehen sind, um die MEA und ein Trennstückpaar zu integrieren, ist es darüber hinaus möglich, eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle durch einfache Herstellungsprozesse und mit niedrigen Kosten zu schaffen.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2006-117590 , eingereicht am 21. April 2006, deren gesamter Inhalt hier ausdrücklich durch Literaturhinweis eingefügt ist.

Claims

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, die umfasst: eine mit dem Rahmen integrierte Membranelektrodenanordnung (1), die einen Rahmenkörper (3), in dem eine Gaskanalöffnung (7) gebildet ist, eine innerhalb des Rahmenkörpers (3) vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran, ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, und eine Dichtungsmasse, die die Gaskanalöffnung und die Elektroden einschließt, enthält; ein Trennstück (11) mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Brennstoffgases zu und von einer Elektrode des Elektrodenpaars; und ein Trennstück (12) mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Oxidationsmittelgases zu und von der anderen Elektrode des Elektrodenpaars, wobei: der Rahmenkörper (3) mehrere Vorsprünge (9-1, 9-2, 9-3, 9-4) mit einer hakenförmigen Neigung auf beiden Ebenen des Rahmenkörpers (3) besitzt und wobei jedes Trennstück (11; 12) mehrere abgestufte Teile (10-1, 10-2, 10-3, 10-4) besitzt; und die Vorsprünge des Rahmenkörpers (3) und die abgestuften Teile (10-1, 10-2, 10-3, 10-4) des Trennstückpaars (11, 12) durch Ineinanderpressen miteinander integriert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Vorsprünge (9-1, 9-2, 9-3, 9-4) in der Umgebung der Gaskanalöffnung (7) angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der hakenförmige Teil der Neigung des Vorsprungs (9) von dem Rahmenkörper (3) nach innen orientiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der: ein Druck des Brennstoffgases und ein Druck des Oxidationsmittelgases, die durch den Kanal jedes der Trennstücke fließen, verschieden sind; und die mehreren Vorsprünge (9-1, 9-2, 9-3, 9-4) mit einer hakenförmigen Neigung, die auf einer Ebene des Rahmenkörpers (3) gebildet sind, die dem Trennstück (11), wo ein Gas mit einem höheren Druck strömt, zugewandt ist, weiter innerhalb des Rahmens angeordnet sind als die mehreren Vorsprünge (9-1, 9-2, 9-3, 9-4) mit einer hakenförmigen Neigung, die auf einer Ebene des Rahmenkörpers (3) gebildet sind, die dem Trennstück (12), wo ein Gas mit einem niedrigeren Druck strömt, zugewandt ist.
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der zwei oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthält, in dem jede Brennstoffzelle umfasst: eine mit dem Rahmen integrierte Membranelektrodenanordnung, die einen Rahmenkörper (3), in dem eine Gaskanalöffnung (7) gebildet ist, eine innerhalb des Rahmenkörpers (3) vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran, ein Elektrodenpaar, zwischen dem die Polymer-Elektrolyt-Membran liegt, und eine Dichtungsmasse (4), die die Gaskanalöffnung (7) und die Elektroden einschließt, enthält; ein Trennstück (11) mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Brennstoffgases zu und von einer Elektrode des Elektrodenpaars; und ein Trennstück (12) mit einem Kanal zum Zuführen und Freisetzen eines Oxidationsmittelgases zu und von der anderen Elektrode des Elektrodenpaars, wobei: der Rahmenkörper (3) mehrere Vorsprünge (9; 9-1, 9-2, 9-3, 9-4) mit einer hakenförmigen Neigung auf beiden Ebenen des Rahmenkörpers (3) besitzt und wobei jedes Trennstück (11; 12) mehrere abgestufte Teile (10; 10-1, 10-2, 10-3, 10-4) besitzt; und die Vorsprünge (9) des Rahmenkörpers (3) und die abgestuften Teile (10) des Trennstückpaars (11, 12) durch Ineinanderpressen miteinander integriert sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, bei dem: der Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle A und eine Brennstoffzelle B enthält, die benachbart zueinander gestapelt sind; jeder der Rahmenkörper (3) der Brennstoffzelle A und der Brennstoffzelle B mehrere zweite Vorsprünge (17) mit einer hakenförmigen Neigung besitzt und die Trennstücke (11, 12) der Brennstoffzelle B mehrere zweite abgestufte Teile besitzen; und die zweiten Vorsprünge des Rahmenkörpers der Brennstoffzelle A und die zweiten abgestuften Teile (18) der Brennstoffzelle B durch Ineinanderpressen miteinander integriert sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, bei dem: der Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle A und eine Brennstoffzelle B enthält, die zueinander benachbart gestapelt sind; jeder der Rahmenkörper (3) der Brennstoffzelle A und der Brennstoffzelle B mehrere zweite Vorsprünge (13) und mehrere Kerben (14) besitzt, wobei die Vorsprünge (13) und die Kerben (14) abwechselnd angeordnet sind; und die zweiten Vorsprünge (13) und die Kerben (14) der Brennstoffzelle A mit den zweiten Vorsprüngen (13) und mit den Kerben (14) der Brennstoffzelle B ineinandergepresst sind.