DE112007000174T5 - Brennstoffzelle und Laminat - Google Patents

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Takashi Toyota Kajiwara
Hiromichi Toyota Sato
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Abstract

Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, in der eine Vielzahl von Laminaten, die jeweils eine Anode und eine Kathode einschließen, die an beiden Seiten einer Elektrolytmembran (46) angeordnet sind, mit Separatoren (41, 41C) aufeinander gestapelt sind, die die Laminate sandwichartig umgeben, wobei
jedes Laminat ein integral an einem äußeren Umfang desselben gebildetes Abdichtungselement (459) zum Vermeiden des Ausströmens der auf die Oberfläche des Laminats geführten gasförmigen Recktanten aufweist und
ein hochsteifes Element (458, 458A, 458B, 458C, 458D) mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgibt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Laminat und insbesondere ein Laminat mit einer Anode und einer Kathode an beiden Seiten einer Elektrolytmembran und eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, in der eine Vielzahl der Laminate aufeinander gestapelt sind, wobei Separatoren sandwichartig zwischen den Laminaten angeordnet sind.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Brennstoffzellen, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, erregen als Energiequellen Aufmerksamkeit. Eine Brennstoffzelle weist eine Stapelstruktur auf, in der Membran-Elektroden-Einheiten, die jeweils eine Anode (Wasserstoffelektrode) und eine Kathode (Sauerstoffelektrode) an beiden Seiten einer Elektrolytmembran aufweisen, und Separatoren abwechselnd gestapelt sind (eine Brennstoffzelle mit einer solchen Stapelstruktur ist im Folgenden auch als „Brennstoffzellenstapel" bezeichnet).
  • Bei solchen Brennstoffzellenstapeln wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um einem Ausströmen der gasförmigen Recktanten (Brenngas und gasförmiges Oxidationsmittel) vorzubeugen. Zum Beispiel beschreibt die JP-A-2000-133290 einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, bei dem jede Membran-Elektroden-Einheit mit einem elastischen Dichtungselement integriert ist. Die JP-A-2004-6104 beschreibt einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, bei dem Abdichtungselemente zwischen Membran-Elektroden-Einheiten und Separatoren angeordnet sind. Bei solchen Brennstoffzellenstapeln wird allgemein eine Befestigungsbelastung in der Richtung des Stapelns des Brennstoffzellenstapels aufgebracht, um die Abdichtbarkeit der elastischen Dichtungselemente oder der Abdichtungselemente sicherzustellen.
  • Manchmal wird jedoch ein hoher Druck von zum Beispiel ungefähr 200 bis 300 (kPa) auf die Durchlässe für die gasförmigen Recktanten in dem Brennstoffzellenstapel aufgebracht, wenn die Gase selbigen zugeführt werden. Daher kann der hohe Druck selbst dann, wenn eine Befestigungsbelastung auf einen Brennstoffzellenstapel aufgebracht wird, die Abdichtungselemente verformen und die Abdichtungselemente in einer Richtung parallel zu der Ebene des Stapelns verschieben, bis die Abdichtbarkeit der Abdichtungselemente abnimmt. Ein solcher Defekt wird oft beobachtet, wenn ein Material mit relativ geringer Steifigkeit, wie Gummi, für die Abdichtungselemente verwendet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, der durch Verformung der Abdichtungselemente bei Zuführen der gasförmigen Recktanten in einen Brennstoffzellenstapel verursachten Verschlechterung der Abdichtbarkeit vorzubeugen.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, in der eine Vielzahl von Laminaten, die jeweils eine Anode und eine Kathode einschließen, die an beiden Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet sind, mit Separatoren aufeinander gestapelt sind, die die Laminate sandwichartig umgeben. Jedes Laminat weist ein integral an einem äußeren Umfang desselben gebildetes Abdichtungselement zum Vorbeugen des Ausströmens der auf die Oberfläche des Laminats geführten gasförmigen Recktanten auf und ein hochsteifes Element mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements umgibt wenigstens einen Teil des Abdichtungselements.
  • Da das hochsteife Element einer Verformung des Abdichtungselements verhindern kann, kann in der Brennstoffzelle eine durch die Verformung des Abdichtungsmaterials bei Zuführen der gasförmigen Recktanten verursachten Verschlechterung der Abdichtbarkeit in einem Brennstoffzellenstapel vermieden werden.
  • Das Abdichtungselement kann aus einem elastischen Material hergestellt sein.
  • Ein aus einem elastischen Material hergestelltes Abdichtungselement ist besonders nützlich, da es eine relativ geringe Steifigkeit aufweist und leicht in seiner Form geändert werden kann.
  • Das hochsteife Elemente kann integral mit dem Abdichtungselement gebildet sein.
  • Wenn ein Laminat mit einem integral an einem äußeren Umfang desselben gebildeten Abdichtungselement erzeugt wird, wird der Teil des äußeren Umfangs des Abdichtungselements aufgrund unterschiedlicher linearer Expansionskoeffizienten zwischen dem Laminat und dem Abdichtungselement manchmal in hohem Maße verformt. Da jedoch ein wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgebendes hochsteifes Element integral gebildet ist, kann einer durch die unterschiedlichen linearen Expansionskoeffizienten zwischen dem Laminat und dem Abdichtungselement verursachten Verformung des Abdichtungselements vorgebeugt werden, wenn das Laminat mit einem integral an einem äußeren Umfang desselben gebildeten Abdichtungselement erzeugt wird.
  • Das hochsteife Element kann ein Rückhalteteil zum Verhindern einer Verformung des Abdichtungselements in der Richtung des Stapelns der Stapelstruktur aufweisen.
  • Dann kann einer durch übermäßige Verformung des Abdichtungselements in der Richtung des Stapelns der Stapelstruktur verursachten Verschlechterung der Abdichtbarkeit vorgebeugt werden.
  • Das hochsteife Element kann ein Anschlussstück aufweisen, das mit wenigstens einem Teil eines äußeren Umfangs des Separators befestigbar ist.
  • Dann kann ein Positionieren der Laminate und der Separatoren durch Stapeln in einer Richtung der Oberfläche mit Leichtigkeit und hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
  • Wenn das Abdichtungselement aus einem hochschrumpffähigen Material hergestellt ist, kann die Schrumpfkraft des Abdichtungselements ebenso auf das Laminat aufgebracht werden und die Anode oder die Kathode beschädigen. Wenn der äußere Umfang des Separators und das Anschlussstück des hochsteifen Elements aneinander befestigt werden, kann die Schrumpfkraft des Abdichtungselements auf das Laminat verringert werden, da die nach außen gehende Spannung auf das Abdichtungselement ausgeübt wird. Ein Aufbrechen der Anode und der Kathode des Laminats kann daher vermieden werden.
  • Der Separator und das hochsteife Element können Durchgangslöcher zur Positionierung aufweisen, die während des Stapelns zur Positionierung in einer Richtung der Oberfläche verwendet werden.
  • Dann werden eine Vielzahl von Separatoren und eine Vielzahl von Laminaten abwechselnd gestapelt, wobei das Positionieren in einer Richtung der Oberfläche mit Leichtigkeit und hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann.
  • Obwohl die Anzahl der Durchgangslöcher zur Positionierung des Separators und des hochsteifen Elements willkürlich festgelegt werden kann, weisen der Separator und das hochsteife Element jeweils bevorzugt zwei Durchgangslöcher zur Positionierung auf.
  • Dann kann eines der beiden Durchgangslöcher zur Positionierung zum Beispiel als Referenz und das andere als Durchgangsloch zum Abfangen der Abmessungstoleranzen während des Positionierens verwendet werden.
  • Das hochsteife Element ist bevorzugt aus einem isolierenden Material hergestellt.
  • Neben dem Aufbau einer Brennstoffzelle, wie er vorstehend beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung als eine Erfindung eines die Brennstoffzelle einschließenden Brennstoffzellensystems ausgeführt werden.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Laminat mit einer Elektrolytmembran, einer an einer Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehenen Anode und einer an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehenen Kathode. Das Laminat weist ein integral an einem äußeren Umfang desselben gebildetes Abdichtungselement zum Vorbeugen des Ausströmens der auf eine Oberfläche des Laminats geführten gasförmigen Recktanten und ein wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgebendes hochsteifes Element mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements auf.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen zum Darstellen gleicher Elemente verwendet werden und in denen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht ist, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Die 2A bis 2D Draufsichten von Komponenten eines Separators 41 und des Separators 41 selbst sind.
  • Die 3A und 3B erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45 sind.
  • Die 4A bis 4C erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45A einer zweiten Ausführungsform sind.
  • Die 5A bis 5C erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45B einer dritten Ausführungsform sind.
  • 6 eine perspektivische Ansicht ist, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 1000 gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.
  • Die 7A bis 7D Draufsichten von Komponenten eines Separators 41C und des Separators 41C selbst sind.
  • Die 8A bis 8C erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45C der vierten Ausführungsform sind.
  • Die 9A bis 9C erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45D einer fünften Ausführungsform sind.
  • Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung auf Basis der Ausführungsformen derselben in der folgenden Reihenfolge beschrieben.
    • A. Erste Ausführungsform:
    • A1. Aufbau des Brennstoffzellenstapels:
    • A2. Brennstoffzellenmodul:
    • A2.1. Separator:
    • A2.2. Mit Dichtungen integrierte MEA:
    • B. Zweite Ausführungsform:
    • C. Dritte Ausführungsform:
    • D. Vierte Ausführungsform:
    • E. Fünfte Ausführungsform:
    • F. Modifikationen:
  • A. Erste Ausführungsform:
  • A.1 Aufbau des Brennstoffzellenstapels:
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist eine Stapelstruktur auf, in der eine Vielzahl von Zellen zum Erzeugen von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aufeinander gestapelt sind, wobei Separatoren zwischen selbigen angeordnet sind. Jede Zelle weist eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran mit Protonenleitfähigkeit auf, die zwischen selbigen angeordnet ist, wie nachfolgend beschrieben wird. In dieser Ausführungsform werden Polymermembrane als Elektrolytmembrane verwendet. Als Elektrolyt können andere Elektrolyten, wie Festoxid, verwendet werden. Die Anzahl der Zellen kann auf Basis der von dem Brennstoffzellenstapel 100 geforderten Ausgangsleistung willkürlich festgelegt werden.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 100 sind in dieser Reihenfolge von einem Ende zum anderen eine Endplatte 10, eine Isolierplatte 20, eine Stromsammelplatte 30, eine Vielzahl von Brennstoffzellenmodulen 40, eine Stromsammelplatte 50, eine Isolierplatte 60 und eine Endplatte 70 gestapelt. Sie weisen Zuführanschlüsse, Austraganschlüsse und Durchlässe (alle nicht gezeigt) auf, um ein Strömen von Wasserstoff als Brenngas, Luft als gasförmiges Oxidationsmittel und einem Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 100 zuzulassen. Der Wasserstoff wird aus einem Wasserstoffbehälter (nicht gezeigt) zugeführt. Die Luft und das Kühlmittel werden unter Druck gesetzt und durch Pumpen (nicht gezeigt) zugeführt. Jedes Brennstoffzellenmodul 40 besteht aus einem Separator 41 und einer mit Dichtungen integrierten MEA 45, in der eine Membran-Elektroden-Einheit und eine Dichtung integriert sind, die im Folgenden beschrieben werden. Das Brennstoffzellenmodul 40 und die mit Dichtungen integrierte MEA 45 (siehe 3A) werden nachfolgend beschrieben.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 weist auch Spannplatten 80 auf, wie in der Figur gezeigt ist. In dem Brennstoffzellenstapel 100 wird ein Druck in der Richtung des Stapelns der Stapelstruktur aufgebracht, um einer durch eine Erhöhung des Kontaktwiderstands in irgendeinem Teil der Stapelstruktur und so weiter verursachten Verschlechterung des Leistungsvermögens der Zelle vorzubeugen und die Abdichtbarkeit der mit Dichtungen integrierten MEA 45 sicherzustellen und die Spannplatten 80 werden mit Bolzen 82 an den Endplatten 10 und 70 an entgegengesetzten Enden des Brenn stoffzellenstapels 100 befestigt, um die Brennstoffzellenmodule 40 mit einer vorgegebenen Haltekraft in der Richtung, in der sie gestapelt werden, festzuhalten.
  • Die Endplatten 10 und 70 und die Spannplatten 80 sind aus einem Metall, wie Stahl, hergestellt, um die Steifigkeit sicherzustellen. Die Isolierplatten 20 und 60 sind aus einem isolierenden Material, wie Gummi oder Harz, hergestellt. Die Stromsammelplatten 30 und 50 sind gasundurchlässige leitende Platten, wie verdichteter Kohlenstoff oder eine Kupferplatte. Jede der Stromsammelplatten 30 und 50 weist eine Ausgangsklemme (nicht gezeigt) auf, so dass der in dem Brennstoffzellenstapel 100 erzeugte elektrische Strom, abgenommen werden kann.
  • A2. Brennstoffzellenmodul:
  • Wie vorstehend beschrieben, weist jedes Brennstoffzellenmodul 40 einen Separator 41 und eine mit Dichtungen integrierte MEA 45 auf. Der Separator 41 und die mit Dichtungen integrierte MEA 45 sind nachfolgend beschrieben.
  • A2.1. Separator:
  • Die 2A bis 2D sind Draufsichten von Komponenten eines Separators 41 und des Separators 41 selbst. Der Separator 41 in dieser Ausführungsform besteht aus drei flachen Metallplatten, die jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweisen, das heißt einer der Kathode gegenüberliegenden Platte 42, einer Zwischenplatte 43 und einer der Anode gegenüberliegenden Platte 44. Der Separator 41 wird durch Stapeln der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42, der Zwischenplatte 43 und der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 in dieser Reihenfolge und durch Verbinden der Platten mittels Heißpressen hergestellt. In dieser Ausführungsform sind die der Kathode gegenüberliegende Platte 42, die Zwischenplatte 43 und die der Anode gegenüberliegende Platte 44 flache Platten aus Edelstahl mit der gleichen quadratischen Form. Als die der Kathode gegenüberliegende Platte 42, die Zwischenplatte 43 und die der Anode gegenüberliegende Platte 44 können flache Platten aus einem anderen Material, wie Titan oder Aluminium, anstelle von Edelstahl verwendet werden. Als die Zwischenplatte 43 kann eine Platte aus Harz verwendet werden.
  • 2A ist eine Draufsicht der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42, die mit der kathodenseitigen Oberfläche der mit Dichtungen integrierten MEA 45 in Kontakt steht. Wie in der Figur gezeigt, weist die der Kathode gegenüberliegende Platte 42 ein Durchgangsloch 422a für die Zufuhr von Luft, eine Vielzahl von Zuführanschlüssen 422i für die Zufuhr der Luft, eine Vielzahl von Austraganschlüssen 4220 für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 422b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 424a für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 424b für das Austragen von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 426a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 426b für das Austragen des Kühlmittels auf. In dieser Ausführungsform weisen das Durchgangsloch 422a für die Zufuhr der Luft, das Durchgangsloch 422b für das Austragen der Luft, das Durchgangsloch 424a für die Zufuhr des Wasserstoffs, das Durchgangsloch 424b für das Austragen des Wasserstoffs, das Durchgangsloch 426a für die Zufuhr des Kühlmittels und das Durchgangsloch 426b für das Austragen des Kühlmittels allgemein rechteckige Formen auf und die Zuführanschlüsse 422i für die Zufuhr der Luft und die Austraganschlüsse 4220 für das Austragen der Luft weisen eine kreisförmige Form auf und besitzen den gleichen Durchmesser.
  • 2B ist eine Draufsicht auf die der Anode gegenüberliegenden Platte 44, die mit der anodenseitigen Oberfläche der mit Dichtungen integrierten MEA 45 in Kontakt steht. Wie in der Figur gezeigt, weist die der Anode gegenüberliegende Platte 44 ein Durchgangsloch 442a für die Zufuhr von Luft, ein Durchgangsloch 442b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 444a für die Zufuhr von Wasserstoff, eine Vielzahl von Zuführanschlüssen 444i für die Zufuhr des Wasserstoffs, eine Vielzahl von Austraganschlüssen 4440 für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 444b für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 446a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 446b für das Austragen des Kühlmittels auf. In dieser Ausführungsform weisen das Durchgangsloch 442a für die Zufuhr der Luft, das Durchgangsloch 442b für das Austragen der Luft, das Durchgangsloch 444a für die Zufuhr des Wasserstoffs, das Durchgangsloch 444b für das Austragen des Wasserstoffs, das Durchgangsloch 446a für die Zufuhr des Kühlmittels und das Durchgangsloch 446b für das Austragen des Kühlmittels allgemein rechteckige Formen auf und die Zuführanschlüsse 444i für die Zufuhr der Luft und die Austraganschlüsse 4440 für das Austragen der Luft weisen eine kreisförmige Form auf und besitzen den gleichen Durchmesser.
  • Die 2C ist eine Draufsicht der Zwischenplatte 43. Wie in der Figur gezeigt, weist die Zwischenplatte 43 ein Durchgangsloch 432a für die Zufuhr der Luft, ein Durchgangsloch 432b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 434a für die Zufuhr des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 434b für das Austragen des Wasserstoffs und eine Vielzahl von einen Durchlass für das Kühlmittel bildenden Durchgangslöchern 436 auf. Das Durchgangsloch 432a für die Zufuhr der Luft weist eine Vielzahl von einen Durchlass für die Zufuhr der Luft bildenden Abschnitte 432c auf, um ein Strömen der Luft von dem Durchgangsloch 432a für die Zufuhr der Luft zu den Zuführanschlüssen 422i für die Zufuhr der Luft der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 zuzulassen. Das Durchgangsloch 432b für das Austragen der Luft weist eine Vielzahl von einen Durchlass für das Austragen der Luft bildenden Abschnitten 432d auf, um ein Strömen der Luft aus den Austraganschlüssen 4220 für das Austragen der Luft der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 zu dem Durchgangsloch 432b für das Austragen der Luft zuzulassen. Das Durchgangsloch 434a für die Zufuhr des Wasserstoffs weist eine Vielzahl von einen Durchlass für die Zufuhr des Wasserstoffs bildenden Abschnitten 432e auf, um ein Strömen des Wasserstoffs aus dem Durchgangsloch 434a für die Zufuhr des Wasserstoffs zu den Zuführanschlüssen 444i für die Zufuhr des Wasserstoffs der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 zuzulassen. Das Durchgangsloch 434b für das Austragen des Wasserstoffs weist eine Vielzahl von einen Durchlass für das Austragen des Wasserstoffs bildenden Abschnitten 432f auf, um ein Strömen des Wasserstoffs aus den Abführstützen 4440 für das Austragen des Wasserstoffs der der Anoden gegenüberliegenden Platte 44 zu dem Durchgangsloch 434b für das Austragen des Wasserstoffs zuzulassen.
  • Die 2D ist eine Draufsicht des Separators 41. Hier ist die Draufsicht von der Seite der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 aus gezeigt.
  • Wie aus der 2D zu verstehen, sind die Durchgangslöcher 442a, 432a und 422a für die Zufuhr der Luft an der gleichen Position durch die der Anode gegenüberliegenden Platte 44, der Zwischenplatte 43 und die der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 gebildet. Das Durchgangslöcher 442b, 432b und 422b für das Austragen der Luft sind an der gleichen Position gebildet. Die Durchgangslöcher 444a, 434a und 424a für die Zufuhr des Wasserstoffs sind an der gleichen Position gebildet. Die Durchgangslöcher 444b, 434b und 424b für das Austragen des Wasserstoffs sind an der gleichen Position gebildet.
  • Die Durchgangslöcher 446a und 426a für die Zufuhr des Kühlmittels sind an der gleichen Position durch die der Anode gegenüberliegenden Platte 44 und die der Kathode gegenüberliegende Platte 42 gebildet. Die Durchgangslöcher 446b und 426b für das Austragen des Kühlmittels sind an der gleichen Position gebildet.
  • Jedes einen Durchgang für das Kühlmittel bildende Durchgangsloch 436 der Zwischenplatte 43 ist so gebildet, dass es ein erstes Ende, das mit dem Durchgangsloch 446a für die Zufuhr des Kühlmittels der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 und dem Durchgangsloch 426a für die Zufuhr des Kühlmittels der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 überlappt, und ein zweites Ende, das mit dem Durchgangsloch 446b für das Austragen des Kühlmittels der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 und dem Durchgangsloch 426b für das Austragen des Kühlmittels der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 überlappt, aufweist.
  • In der Zwischenplatte 43 sind die Weiten der einen Durchlass für die Zufuhr der Luft bildenden Abschnitte 432c, der einen Durchlass für das Austragen der Luft bildenden Abschnitte 432d, der einen Durchlass für die Zufuhr des Wasserstoffs bildenden Abschnitte 432e und der einen Durchlass für das Austragen des Wasserstoffs bildenden Abschnitte 432f entsprechend größer als der Durchmesser der Zuführanschlüsse 422i für die Zufuhr der Luft und der Austraganschlüsse 4220 für das Austragen der Luft der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 und der Zuführanschlüsse 444i für die Zufuhr des Wasserstoffs und der Austraganschlüsse 4440 für das Austragen des Wasser stoffs der der Anode gegenüberliegenden Platte 44. Daher kann selbst dann, wenn diese Teile leicht von den Stutzen verschoben werden, wenn die der Kathode gegenüberliegende Platte 42, die Zwischenplatte 43 und die der Anode gegenüberliegende Platte 44 gestapelt und miteinander verbunden werden, ein Strömen der Luft und des Wasserstoffs auf gewünschtem Wege zugelassen werden.
  • In diesem Separator 41 strömen Wasserstoff, Luft und Kühlmittel so, wie vorstehend beschrieben. Ein Teil des durch das Durchgangsloch 424a für die Zufuhr des Wasserstoffs der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42, das Durchgangsloch 434a für die Zufuhr des Wasserstoffs der Zwischenplatte 43 und das Durchgangsloch 444a für die Zufuhr des Wasserstoffs der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 strömenden Wasserstoffs wird an dem Durchgangsloch 434a für die Zufuhr des Wasserstoffs der Zwischenplatte 43 abgetrennt, strömt durch die einen Durchlass für die Zufuhr des Wasserstoffs bildenden Abschnitte 432e und wird aus den Zuführanschlüssen 444i für die Zufuhr des Wasserstoffs der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 in einer Richtung zugeführt, die zu einer Anode eines MEA-Abschnitts 451 der mit Dichtungen integrierten MEA 45 senkrecht ist, die nachfolgend beschrieben wird. Das aus der Anode abgeführte Anodenabgas wird durch die Austraganschlüsse 4440 für das Austragen des Wasserstoffs der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 und den einen Durchlass für das Austragen des Wasserstoffs bildenden Abschnitten 432f der Zwischenplatte 43 ausgetragen.
  • Ein Teil der durch das Durchgangsloch 442a für die Zufuhr der Luft der der Anode gegenüberliegenden Platte 44, das Durchgangsloch 432a für die Zufuhr der Luft der Zwischenplatte 43 und das Durchgangsloch 422a für die Zufuhr der Luft der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 strömenden Luft wird an dem Durchgangsloch 432a für die Zufuhr der Luft der Zwischenplatte 43 abgetrennt, strömt durch die einen Durchlass für die Zufuhr der Luft bildenden Abschnitte 432c und wird aus den Zuführanschlüssen 422i für die Zufuhr der Luft der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 in einer Richtung zugeführt, die zu einer Kathode des MEA-Abschnitts 451 der mit Dichtungen integrierten MEA 45 senkrecht ist, die nachfolgend beschrieben ist.
  • Das aus der Kathode abgeführte Kathodenabgas wird durch die Austraganschlüsse 4220 für das Austragen der Luft der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 und die einen Durchlass für das Austragen der Luft bildenden Abschnitte 432d der Zwischenplatte 43 ausgetragen.
  • Ein Teil des durch das Durchgangsloch 446a für die Zufuhr des Kühlmittels der der Anode gegenüberliegenden Platte 44, die ersten Enden der einen Durchlass für das Kühlmittel bildenden Durchgangslöcher 436 der Zwischenplatte 43 und das Durchgangsloch 426a für die Zufuhr des Kühlmittels der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42 strömenden Kühlmittels wird an den einen Durchlass für das Kühlmittel bildenden Durchgangslöchern 436 der Zwischenplatte 43 abgetrennt, strömt durch die Zwischenplatte 43 und wird aus den zweiten Enden der einen Durchlass für das Kühlmittel bildenden Durchgangslöcherns 436 ausgetragen.
  • A2.2. Mit Dichtungen integrierte MEA:
  • Die 3A und 3B sind erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45. 3A ist eine Draufsicht von der Kathodenseite der mit Dichtungen integrierten MEA. 3B ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 3B-3B der 3A genommen wurde. Die mit Dichtungen integrierte MEA 45 besitzt die gleiche äußere Form wie der Separator 41.
  • Wie in der Figur gezeigt, weist die mit Dichtungen integrierte MEA 45 einen MEA-Abschnitt 451 und einen Rahmen 450 auf, der den MEA-Abschnitt 451 umgibt und trägt. Ein hochsteifes Element 458 mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Rahmens 450 umgibt den Rahmen 450. Das hochsteife Element 458 ist ein Element zum Vorbeugen einer Verformung des Rahmens 450. Wie aus 3B zu sehen ist, sind die Oberflächen des Rahmens 450 und des hochsteifen Elements 458 allgemein gleich hoch.
  • Obwohl in dieser Ausführungsform Silikongummi für den Rahmen 450 verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Es können an dere Materialien mit Gasundurchlässigkeit, Elastizität und Wärmebeständigkeit verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird ein isolierendes Hartharz für das hochsteife Element 458 verwendet.
  • Der MEA-Abschnitt 451 ist eine Membran-Elektroden-Einheit, in der eine Kathodenkatalysatorschicht 47c und eine Kathodendiffusionsschicht 48c in dieser Reihenfolge auf eine Oberfläche (kathodenseitige Oberfläche) einer Elektrolytmembran 46 laminiert sind und eine Anodenkatalysatorschicht 47a und eine Anodendiffusionsschicht 48a in dieser Reihenfolge auf die andere Oberfläche (anodenseitige Oberfläche) der Elektrolytmembran laminiert sind, wie in 3B gezeigt. In dieser Ausführungsform werden poröse Kohlenstoffkörper als Anodendiffusionsschicht 48a und Kathodendiffusionsschicht 48c verwendet. Ebenso sind in dieser Ausführungsform poröse Metallschichten 49 an beiden Seiten des MEA-Abschnitts 451 gestapelt, die als Gasdurchlassschichten fungieren, die ein Strömen der Luft, des Wasserstoffs und der Luft durch selbige zulassen können, wenn die mit Dichtungen integrierte MEA 45 auf dem Separater 41 gestapelt wird. Da die Kathodendiffusionsschicht 48c, die Anodendiffusionsschicht 48a und die porösen Metallschichten 49 verwendet werden, kann das Gas verteilt und effizient auf die gesamten Oberflächen der Anode und Kathode geführt werden. Für die Gasdurchlassschichten können andere Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit und Gasdiffusionsvermögen wie Kohlenstoff anstelle des porösen Metallkörpers verwendet werden.
  • Der Rahmen 450 weist ein Durchgangsloch 452a für die Zufuhr von Luft, ein Durchgangsloch 454a für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 452a für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 454b für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 456a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 456b für das Austragen des Kühlmittels wie in dem Fall des Separators 41, wie in 3A gezeigt, auf. Um die Durchgangslöcher und den MEA-Abschnitt 451 sind integral Abdichtungsteile 459 vorgesehen, um eine durch die dünnen Linien in 3A gezeigte Abdichtungslinie SL zu bilden. Das heißt, dass der Rahmen 450 als Dichtung fungiert, die dem Ausströmen von Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel vorbeugt.
  • Gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform weist die mit Dichtungen integrierte MEA 45 ein hochsteifes Element 458 um den Rahmen 450 auf, eine Verformung des Rahmens 450 bei Zuführen der gasförmigen Recktanten und eine Verschlechterung der Abdichtbarkeit kann vermieden werden.
  • Die mit Dichtungen integrierte MEA 45 ist integral durch zum Beispiel Spritzguss gebildet. Wenn das hochsteife Element 458 nicht um den Rahmen 450 vorgesehen ist, wird der Rahmen 450 zum Herstellungszeitpunkt in hohem Maße verformt, da der lineare Expansionskoeffizient des aus Silikongummi hergestellten Rahmens 450 größer als derjenige des MEA-Abschnitts 451 ist. Da das hochsteife Element 458 integral um den Rahmen 450 gebildet ist, kann bei der mit Dichtungen integrierten MEA 45 dieser Ausführungsform die Verformung des Rahmens 450 zum Herstellungszeitpunkt vermieden werden. Dies kann auch auf die anderen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen angewendet werden.
  • B. Zweite Ausführungsform:
  • Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels der zweiten Ausführungsform entspricht mit Ausnahme der mit Dichtungen integrierten MEA derjenigen des Brennstoffzellenstapels 100 der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wird die mit Dichtungen integrierte MEA in der zweiten Ausführungsform beschrieben.
  • Die 4A bis 4C sind erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45A der zweiten Ausführungsform. 4A ist eine Draufsicht einer mit Dichtungen integrierten MEA 45A. 4B ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 4B-4B der 4A genommen wurde. 4C ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 4C-4C der 4A genommen wurden, wenn die Separatoren 41 und die mit Dichtungen integrierten MEAs 45 abwechselnd gestapelt werden.
  • Die mit Dichtungen integrierte MEA 45A dieser Ausführungsform weist, wie in 4A gezeigt, einen Rahmen 450A auf, der eine Form aufweist, die durch Abschneiden der vier Ecken des Rahmen 450 der mit Dichtungen integrierten MEA 45 der ersten Ausführungsform erhalten werden kann. Die mit Dichtungen integrierte MEA 45A weist einen MEA-Abschnitt 451, ein Durchgangsloch 452a für die Zufuhr von Luft, ein Durchgangsloch 452b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 454a für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 454b für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 456a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 456b für das Austragen des Kühlmittels auf, die denjenigen der mit Dichtungen integrierten MEA 45 der ersten Ausführungsform entsprechen.
  • Bei der mit Dichtungen integrierten MEA 45A sind hochsteife Elemente 458A an den vier umlaufenden Rändern des Rahmens 450A angeordnet. Jedes hochsteife Element 458A weist eine Vertiefung 458Ac, wie sie in 4B gezeigt ist, in seinem Innenrand auf, die einen umlaufenden Rand eines Separators 41 aufnehmen kann, wenn die mit Dichtungen integrierte MEA 45A und der Separator 41 aufeinander gestapelt werden, wie in 4C gezeigt ist. Wenn der Separator 41 und die mit Dichtungen integrierte MEA 45A aufeinander gestapelt werden, kann daher das Positionieren des Separators 41 in einer Richtung der Oberfläche mit Leichtigkeit und hoher Genauigkeit ausgeführt werden. Ebenso kann eine laterale Verschiebung des Separators 41 und der mit Dichtungen integrierten MEA 45A voneinander vermieden werden.
  • Da die mit Dichtungen integrierte MEA 45A hochsteife Elemente 458A um den Rahmen 450A aufweist, kann, wie in dem Fall des Brennstoffzellenstapels 100 der ersten Ausführungsform, gemäß dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel der zweiten Ausführungsform eine Verformung des Rahmens 450A bei Zuführen der gasförmigen Recktanten und einer Verschlechterung der Abdichtbarkeit vermieden werden.
  • C. Dritte Ausführungsform:
  • Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels der dritten Ausführungsform entspricht mit Ausnahme der mit Dichtungen integrierten MEA derjenigen des Brennstoffzellenstapels 100 der ersten und der zweiten Ausführungsform. Wie nachfolgend beschrieben, entspricht auch die mit Dichtungen integrierte MEA mit Ausnahme der hochsteifen Elemente der mit Dichtungen integrierten MEA 45A der zweiten Ausführungsform. Die mit Dichtungen integrierte MEA in der dritten Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
  • Die 5A bis 5C sind erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45B einer dritten Ausführungsform. 5A ist eine Draufsicht der mit Dichtungen integrierten MEA 45B. 5B ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 5B-5B der 5A genommen wurde. 5C ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 5C-5C der 5A genommen wurde, wenn die Separatoren 41 und die mit Dichtungen integrierten MEAs 45B abwechselnd gestapelt werden.
  • Wie in 5A gezeigt, weist die mit Dichtungen integrierte MEA 45B dieser Ausführungsform einen Rahmen 450A auf, der eine Form aufweist, die durch Abschneiden der vier Ecken des Rahmens 450 der mit Dichtungen integrierten MEA 45 der ersten Ausführungsform erhalten werden kann, wie in dem Fall der mit Dichtungen integrierten MEA 45A der zweiten Ausführungsform. Die mit Dichtungen integrierte MEA 45B weist einen MEA-Abschnitt 451, ein Durchgangsloch 452a für die Zufuhr von Luft, ein Durchgangsloch 452b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 454a für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 454b für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 456a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 456b für das Austragen des Kühlmittels auf, die denjenigen der mit Dichtungen integrierten MEA 45 und 45A der ersten und der zweiten Ausführungsform entsprechen.
  • Bei der mit Dichtungen integrierten MEA 45B sind hochsteife Elemente 458B an den vier umlaufenden Rändern des Rahmens 450A angeordnet. Jedes hochsteife Element 458B weist eine Vertiefung 458Bc in seinem Innenrand auf, die einen umlaufenden Rand eines Separators 41 aufnehmen kann, wenn die mit Dichtungen integrierte MEA 45B und der Separator 41 aufeinander gestapelt werden, wie in den 5B und 5C gezeigt ist. Wenn der Separator 41 und die mit Dichtungen integrierte MEA 45B aufeinander gestapelt werden, kann daher das Positionieren des Separators 41 in einer Richtung der Oberfläche mit Leichtigkeit und hoher Genauigkeit ausgeführt werden. Ebenso kann eine laterale Verschiebung des Separators 41 und der mit Dichtungen integrierten MEA 45B voneinander vermieden werden.
  • Jedes hochsteife Element 458B weist einen sich erstreckenden Teil auf, der, wenn eine Vielzahl von mit Dichtungen integrierten MEAs 45B und eine Vielzahl von Separatoren 41 abwechselnd gestapelt werden und eine Befestigungsbelastung in der Richtung des Stapelns aufgebracht wird, ein übermäßiges Verformen der Abdichtungsteile 459 in der Richtung des Stapels auf folgende Weise vermieden: eine Oberseite 458Bt und eine Unterseite 458Bd der hochsteifen Elemente 458B der mit Dichtungen integrierten MEAs 45B, die einander benachbart sind, wobei ein Separator 41 zwischen denselben angeordnet ist, stoßen aneinander. Die sich erstreckenden Teile können einer durch eine übermäßige Verformung der Abdichtungsteile 459 in der Richtung des Stapelns verursachten Verschlechterung der Abdichtbarkeit vorbeugen. Die sich erstreckenden Teile können als Rückhalteteile in der vorliegenden Erfindung betrachtet werden.
  • Da die mit Dichtungen integrierte MEA 45B die hochsteifen Elemente 458B um den Rahmen 450A aufweist, kann gemäß dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel der dritten Ausführungsform wie in den Brennstoffzellenstapeln der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform einer Verformung des Rahmens 450A bei Zuführen der gasförmigen Recktanten und eine Verschlechterung der Abdichtbarkeit vermieden werden.
  • D. Vierte Ausführungsform:
  • 6 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 1000 einer vierten Ausführungsform veranschaulicht. Der Brennstoffzellenstapel 1000 weist eine in dieser Reihenfolge von einem Ende zum anderen gestapelte Endplatte 10C, eine Isolierplatte 20C, eine Stromsammelplatte 30C, eine Vielzahl von Brennstoffzellenmodulen 40C, eine Stromsammelplatte 50C, eine Isolierplatte 60C und eine Endplatte 70C, wie im Fall des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels 100, auf. Jedes Element weist zwei Durchgangslöcher auf und zum Positionieren in einer Richtung der Oberfläche zum Zeitpunkt des Stapelns sind zwei Positionierungsachsen 90a und 90b in die Durchgangslöcher eingeführt. Wie in dem Fall des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels 100 sind Spannplatten 80 an der Endplatte 10C und der Endplatte 70C durch Bolzen 82 befestigt. Jedes Brennstoffzellenmodul 40C besteht aus einem Separator 41C und einer mit Dichtungen integrierten MEA 45C, die nachfolgend beschrieben werden.
  • Die 7A bis 7D sind Draufsichten von Komponenten eines Separators 41C und des Separators 41C selbst. Der Separator 41C dieser Ausführungsform besteht aus drei flachen Metallplatten, die jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweisen, das heißt, wie in dem Fall des in den 2A bis 2D gezeigten Separators 41, einer der Kathode gegenüberliegenden Platte 42C, einer Zwischenplatte 43C und einer der Anode gegenüberliegenden Platte 44C.
  • Wie in 7A gezeigt, weist die der Kathode gegenüberliegende Platte 42C ein Durchgangsloch 428a zum Positionieren, um eine Positionierungsachse 90a aufzunehmen, und ein Durchgangsloch 428b zum Positionieren, um eine Positionierungsachse 90b aufzunehmen, auf. Das Durchgangsloch 428a zum Positionieren weist eine kreisförmige Form und das Durchgangsloch 428b zum Positionieren weist eine ellipsoide Form auf. Die der Kathode gegenüberliegende Platte 42C entspricht mit Ausnahme der Durchgangslöcher 428a und 428b zum Positionieren der in 2A gezeigten, der Kathode gegenüberliegenden Platte 42.
  • Wie in 7B gezeigt, weist die der Anode gegenüberlegende Platte 44C ein Durchgangsloch 448a zum Positionieren, um die Positionierungsachse 90a aufzunehmen, und ein Durchgangsloch 448b zum Positionieren, um die Positionierungsachse 90b aufzunehmen, auf. Das Durchgangsloch 448a zum Positionieren weist eine kreisförmige Form und das Durchgangsloch 448b zum Positionieren weist eine ellipsoide Form auf. Die der Anode gegenüberliegende Platte 44C entspricht mit Ausnahme der Durchgangslöcher 448a und 448b zum Positionieren der in 2B gezeigten, der Anode gegenüberliegenden Platte 44.
  • Wie in 7C gezeigt, weist die Zwischenplatte 43C ein Durchgangsloch 438a zum Positionieren, um die Positionierungsachse 90a aufzunehmen, und ein Durchgangsloch 438b zum Positionieren, um die Positionierungsachse 90b aufzunehmen, auf. Das Durchgangsloch 438a zum Positionieren weist eine kreisförmige Form und das Durchgangsloch 438b zum Positionieren weist eine ellipsoide Form auf. Die Zwischenplatte 43C entspricht mit Ausnahme der Durchgangslöcher 438a und 438b zum Positionieren der in 2C gezeigten Zwischenplatte 43.
  • Die 8A bis 8C sind erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45C der vierten Ausführungsform. 8A ist eine Draufsicht der mit Dichtungen integrierten MEA 45C. 8B ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 8B-8B der 8A genommen wurde. 8C ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 8C-8C der 8A genommen wurde, wenn die Separatoren 41C und die mit Dichtungen integrierten MEAs 45C abwechselnd gestapelt werden.
  • Wie in 8A gezeigt, weist die mit Dichtungen integrierte MEA 45C dieser Ausführungsform einen Rahmen 450A auf, der eine Form aufweist, die durch Abschneiden der vier Ecken des Rahmens 450 der mit Dichtungen integrierten MEA 45 der ersten Ausführungsform erhalten werden kann, wie in dem Fall der mit Dichtungen integrierten MEA 45A der zweiten Ausführungsform. Die mit Dichtungen integrierte MEA 45C weist einen MEA-Abschnitt 451, ein Durchgangsloch 452a für die Zufuhr von Luft, ein Durchgangsloch 452b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 454a für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 454b für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 456a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 456b für das Austragen des Kühlmittels auf, die denjenigen der mit Dichtungen integrierten MEA 45, 45A und 45B der ersten bis dritten Ausführungsform entsprechen.
  • Bei der mit Dichtungen integrierten MEA 45C umgibt ein hochsteifes Element 458C mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Rahmens 450A den Rahmen 450A. Das hochsteife Element 458C weist ein Durchgangsloch 458a zum Positionieren, um die Positionierungsachse 90a aufzunehmen, und ein Durchgangsloch 458b zum Positionieren, um die Positionierungsachse 90b aufzunehmen, auf. Das Durchgangsloch 458a zum Positionieren weist eine kreisförmige Form und das Durchgangsloch 458b zum Positionieren weist eine ellipsoide Form auf. Wie in 8B gezeigt, sind die Oberflächen des Rahmens 450A und des hochsteifen Elements 458C allgemein gleich hoch.
  • Da die mit Dichtungen integrierte MEA 45C ein hochsteifes Element 458C um den Rahmen 450A aufweist, kann wie in den Brennstoffzellenstapeln der vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsform gemäß dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel 100C der vierten Ausführungsform eine Verformung des Rahmens 450A bei Zuführen der gasförmigen Recktanten und eine Verschlechterung der Abdichtbarkeit vermieden werden.
  • In dieser Ausführungsform weist auch die der Kathode gegenüberliegende Platte 42C die Durchgangslöcher 428a und 428b zum Positionieren, die Zwischenplatte 43C die Durchgangslöcher 438a und 438b zum Positionieren, die der Anode gegenüberliegende Platte 44C die Durchgangslöcher 448a und 448b zum Positionieren und die mit Dichtungen integrierte MEA 45C die Durchgangslöcher 458a und 458b zum Positionieren auf. Wenn der Separator 41C und die mit Dichtungen integrierte MEA 45C aufeinander gestapelt werden, kann daher das Positionieren in einer Richtung der Oberfläche mit Leichtigkeit und hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
  • In dieser Ausführungsform weisen daneben das Durchgangsloch 428a zum Positionieren der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42C das Durchgangsloch 438a zum Positionieren der Zwischenplatte 43C, das Durchgangsloch 448a zum Positionieren der der Anode gegenüberliegenden Platte 44C und das Durchgangsloch 458a zum Positionieren der mit Dichtungen integrierten MEA 45C eine kreisförmige Form auf. Das Durchgangsloch 428b zum Positionieren der der Kathode gegenüberliegenden Platte 42C das Durchgangsloch 438b zum Positionieren der Zwischenplatte 43C, das Durchgangsloch 448b zum Positionieren der der Anode gegenüberliegenden Platte 44C und das Durchgangsloch 458b zum Positionieren der mit Dichtungen integrierten MEA 45C weisen eine ellipsoide Form auf. Die Abmessungstoleranzen beim Positionieren in einer Richtung der Oberfläche können daher während des Stapelns abgefangen werden. Dies kann auch auf die nachstehend beschriebene fünfte Ausführungsform angewendet werden.
  • E. Fünfte Ausführungsform
  • Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer fünften Ausführungsform entspricht mit Ausnahme der mit Dichtungen integrierten MEA derjenigen des Brennstoffzellenstapels 1000 der vierten Ausführungsform. Wie nachfolgend beschrieben ist, entspricht auch die mit Dichtungen integrierte MEA mit Ausnahme des hochsteifen Elements der mit Dichtungen integrierten MEA 45C der vierten Ausführungsform. Im Folgenden wird die mit Dichtungen integrierte MEA 45 beschrieben.
  • Die 9A bis 9C sind erläuternde Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45D einer fünften Ausführungsform. 9A ist eine Draufsicht der mit Dichtungen integrierten MEA 45D. 9B ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 9B-9B der 9A genommen wurde. 9C ist eine Schnittzeichnung, die entlang der Linie 9C-9C der 9A genommen wurde, wenn die Separatoren 41C und die mit Dichtungen integrierten MEAs 45D abwechselnd gestapelt werden.
  • Wie in 9A gezeigt, weist die mit Dichtungen integrierte MEA 45D dieser Ausführungsform einen Rahmen 450A auf, der eine Form aufweist, die durch Abschneiden der vier Ecken des Rahmens 450 der mit Dichtungen integrierten MEA 45 der ersten Ausführungsform erhalten werden kann, wie in dem Fall der mit Dichtungen integrierten MEA 45A der zweiten Ausführungsform. Die mit Dichtungen integrierte MEA 45D weist einen MEA-Abschnitt 451, ein Durchgangsloch 452a für die Zufuhr von Luft, ein Durchgangsloch 452b für das Austragen der Luft, ein Durchgangsloch 454a für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Durchgangsloch 454b für das Austragen des Wasserstoffs, ein Durchgangsloch 456a für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein Durchgangsloch 456b für das Austragen des Kühlmittels auf, die denjenigen der mit Dichtungen integrierten MEA 45, 45A, 45B und 45C der ersten bis vierten Ausführungsform entsprechen.
  • Bei der mit Dichtungen integrierten MEA 45D umgibt ein hochsteifes Element 458D den Rahmen 450A. Jedes hochsteife Element 458D weist einen in 9B und 9C gezeigten, sich erstreckenden Teil auf, der, wenn eine Vielzahl von mit Dichtungen integrierten MEAs 458B und eine Vielzahl von Separatoren 41C abwechselnd gestapelt werden und eine Befestigungsbelastung in der Richtung des Stapelns aufgebracht wird, ein übermäßiges Verformen der Abdichtungsteile 459 in der Richtung des Stapelns auf die folgende Weise vermieden: eine Oberseite 458Dt und eine Unterseite 458Dd der hochsteifen Elemente 458D der mit Dichtungen integrierten MEAs 45D, die einander benachbart sind, wobei ein Separator 41C zwischen denselben angeordnet ist, stoßen aneinander. Die sich erstreckenden Teile können eine durch übermäßige Verformung der Abdichtungsteile 459 in der Richtung des Stapelns verursachten Verschlechterung der Abdichtbarkeit vermeiden.
  • Da die mit Dichtungen integrierte MEA 45D das hochsteife Element 458D um den Rahmen 450A aufweist, kann, wie in den Brennstoffzellenstapeln der vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsform, gemäß dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel der fünften Ausführungsform eine Verformung des Rahmens 450A bei Zuführen der gasförmigen Recktanten und einer Verschlechterung der Abdichtbarkeit vermieden werden.
  • F. Modifikationen:
  • Obwohl vorstehend einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und es können verschiedene Modifikationen an dieser vorgenommen werden, ohne von der Aufgabe derselben abzuweichen. Es können zum Beispiel die folgenden Modifikationen ausgeführt werden.
  • F1. Modifikation 1:
  • Der Rahmen und das hochsteife Element oder die hochsteifen Elemente werden integral gebildet, wenn die mit Dichtungen integrierte MEA in den obigen Ausführungsformen gebildet wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Rahmen und das hochsteife Element oder die hochsteifen Elemente können getrennt voneinander gebildet und miteinander verbunden werden.
  • F2. Modifikation 2:
  • Obwohl zwei Positionierungsachsen vorhanden sind und die mit Dichtungen integrierte MEA zwei Durchgangslöcher zum Positionieren in der vierten und fünften Ausführungsform aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Anzahl der Positionierungsachsen und der Durchgangslöcher zum Positionieren kann willkürlich festgelegt werden.
  • F3. Modifikation 3:
  • Obwohl für das hochsteife Element oder die hochsteifen Elemente, die um die mit Dichtungen integrierte MEA in den obigen Ausführungsformen vorgesehen sind, ein isolierendes Material verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn das hochsteife Element oder die hochsteifen Elemente und der Separator einander in einem Brennstoffzellenstapel nicht berühren, wie in dem Brennstof fzellenstapel 100 der ersten Ausführungsform, können das hochsteife Element oder die hochsteifen Elemente zum Beispiel aus einem leitenden Material hergestellt sein.
  • F4. Modifikation 4:
  • Obwohl der Separator in den obigen Ausführungsformen aus drei Platten: einer der Kathode gegenüberliegenden Platte; einer Zwischenplatte; und einer der Anode gegenüberliegen Platte besteht, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein Separator, der durch Formen eines blockförmigen Elements aus Kohlenstoff oder dergleichen gebildet ist, verwendet werden.
  • F5. Modifikation 5:
  • Obwohl der Brennstoffzellenstapel 100 in den obigen Ausführungsformen Spannplatten 80 aufweist, muss der Brennstoffzellenstapel 100 keine Spannplatten 80 aufweisen. In diesem Fall kann ein Mechanismus zum Aufbringen eines Drucks in der Richtung des Stapelns des Brennstoffzellenstapels 100 vorgesehen sein. Wenn der Brennstoffzellenstapel 100 jedoch wie in den obigen Ausführungsformen Spannplatten 80 aufweist, kann, da die Spannplatten 80 die Brennstoffzellenmodule 40 von Außen behindern können, der Vorteil erhalten werden, dass eine lateralen Verschiebung (einer Verschiebung in einer Richtung der Oberfläche) der Separatoren 41 und der mit Dichtungen integrierten MEAs 45 selbst dann vermieden werden kann, wenn der in der Richtung des Stapelns des Brennstoffzellenstapels aufgebrachte Druck relativ gering ist.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzelle und Laminat
  • Bei einer mit Dichtungen integrierten MEA (45), in der ein Rahmen (450) mit einem Abdichtungsteil (459) integral um eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA-Abschnitt 451) gebildet ist, ist ein hochsteifes Element (458) mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Rahmens (450) um einen Rahmen (450) mit einer relativ geringen Steifigkeit vorgesehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2000-133290 A [0003]
    • - JP 2004-6104 A [0003]

Claims (16)

  1. Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, in der eine Vielzahl von Laminaten, die jeweils eine Anode und eine Kathode einschließen, die an beiden Seiten einer Elektrolytmembran (46) angeordnet sind, mit Separatoren (41, 41C) aufeinander gestapelt sind, die die Laminate sandwichartig umgeben, wobei jedes Laminat ein integral an einem äußeren Umfang desselben gebildetes Abdichtungselement (459) zum Vermeiden des Ausströmens der auf die Oberfläche des Laminats geführten gasförmigen Recktanten aufweist und ein hochsteifes Element (458, 458A, 458B, 458C, 458D) mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgibt.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Abdichtungselement aus einem elastischen Material hergestellt ist.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das hochsteife Element integral mit dem Abdichtungselement gebildet ist.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das hochsteife Element und das Abdichtungselement getrennt voneinander gebildet sind.
  5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das hochsteife Element ein Rückhalteteil aufweist, der einer Verformung des Abdichtungselements in der Richtung des Stapelns der Stapelstruktur vorbeugt.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei das Rückhalteteil ein sich erstreckender Teil ist, der mit dem hochsteifen Element eines benachbarten Laminats in Kontakt steht.
  7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das hochsteife Element ein Anschlussstück (458Ac) aufweist, das an wenigstens ein Teil eines äußeren Umfangs des Separators anpassbar ist.
  8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Separator und das hochsteife Element ein Durchgangsloch (428a, 428b) zum Positionieren während des Stapelns in einer Richtung der Oberfläche aufweisen.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei der Separator und das hochsteife Element jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern zum Positionieren aufweisen.
  10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei der Separator und das hochsteife Element jeweils zwei Durchgangslöcher zum Positionieren aufweisen.
  11. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Durchgangslöcher zum Positionieren des Separators und des hochsteifen Elements unterschiedliche Formen aufweisen.
  12. Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei eines der Durchgangslöcher zum Positionieren des Separators und des hochsteifen Elements eine kreisförmige Form und das andere eine ellipsoide Form aufweist.
  13. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das hochsteife Element aus einem isolierenden Material hergestellt ist.
  14. Laminat mit einer Elektrolytmembran (46), einer an einer Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehenen Anode und einer an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehenen Kathode, umfassend: ein Abdichtungselement, das integral an einem äußeren Umfang des Laminats gebildet ist und ein Ausströmen der auf eine Oberfläche des Laminats geführten gasförmigen Recktanten vermeidet; und ein wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgebendes, hochsteifes Element (458, 458A, 458B, 458C, 458D) mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements.
  15. Brennstoffzelle, umfassend: ein Laminat, das eine Elektrolytmembran, eine an einer Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehene Anode; eine an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehene Kathode; ein integral an einem äußeren Umfang des Laminats gebildetes Abdichtungselement, das ein Ausströmen der auf eine Oberfläche des Laminats gerührten gasförmigen Recktanten vermeidet; und ein wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgebendes hochsteifes Element mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements einschließt, und Separatoren, die das Laminat sandwichartig umgeben.
  16. Laminat, umfassend: eine Elektrolytmembran; eine an einer Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehene Anode; eine an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran vorgesehene Kathode; ein Abdichtungselement, das integral an einem äußeren Umfang des Laminats gebildet ist und ein Ausströmen der auf eine Oberfläche des Laminats geführten gasförmigen Recktanten vermeidet; und ein wenigstens einen Teil des Abdichtungselements umgebendes, hochsteifes Element mit einer höheren Steifigkeit als derjenigen des Abdichtungselements.
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