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Technisches Gebiet
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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).
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Das
Abdichtungselement kann aus einem elastischen Material hergestellt
sein.
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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.
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Das
hochsteife Elemente kann integral mit dem Abdichtungselement gebildet
sein.
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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.
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Das
hochsteife Element kann ein Rückhalteteil zum Verhindern
einer Verformung des Abdichtungselements in der Richtung des Stapelns
der Stapelstruktur aufweisen.
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Dann
kann einer durch übermäßige Verformung
des Abdichtungselements in der Richtung des Stapelns der Stapelstruktur
verursachten Verschlechterung der Abdichtbarkeit vorgebeugt werden.
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Das
hochsteife Element kann ein Anschlussstück aufweisen, das
mit wenigstens einem Teil eines äußeren Umfangs
des Separators befestigbar ist.
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Dann
kann ein Positionieren der Laminate und der Separatoren durch Stapeln
in einer Richtung der Oberfläche mit Leichtigkeit und hoher
Genauigkeit ausgeführt werden.
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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.
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Der
Separator und das hochsteife Element können Durchgangslöcher
zur Positionierung aufweisen, die während des Stapelns
zur Positionierung in einer Richtung der Oberfläche verwendet
werden.
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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.
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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.
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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.
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Das
hochsteife Element ist bevorzugt aus einem isolierenden Material
hergestellt.
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Neben
dem Aufbau einer Brennstoffzelle, wie er vorstehend beschrieben
ist, kann die vorliegende Erfindung als eine Erfindung eines die
Brennstoffzelle einschließenden Brennstoffzellensystems ausgeführt
werden.
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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.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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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:
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1 eine
perspektivische Ansicht ist, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Die 2A bis 2D Draufsichten
von Komponenten eines Separators 41 und des Separators 41 selbst
sind.
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Die 3A und 3B erläuternde
Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45 sind.
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Die 4A bis 4C erläuternde
Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45A einer zweiten
Ausführungsform sind.
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Die 5A bis 5C erläuternde
Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45B einer dritten
Ausführungsform sind.
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6 eine
perspektivische Ansicht ist, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 1000 gemäß einer
vierten Ausführungsform veranschaulicht.
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Die 7A bis 7D Draufsichten
von Komponenten eines Separators 41C und des Separators 41C selbst
sind.
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Die 8A bis 8C erläuternde
Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45C der vierten
Ausführungsform sind.
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Die 9A bis 9C erläuternde
Ansichten einer mit Dichtungen integrierten MEA 45D einer fünften
Ausführungsform sind.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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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:
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A. Erste Ausführungsform:
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A.1 Aufbau des Brennstoffzellenstapels:
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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.
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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.
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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.
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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.
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A2. Brennstoffzellenmodul:
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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.
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A2.1. Separator:
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 2D ist
eine Draufsicht des Separators 41. Hier ist die Draufsicht
von der Seite der der Anode gegenüberliegenden Platte 44 aus
gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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A2.2. Mit Dichtungen integrierte MEA:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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D. Vierte Ausführungsform:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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E. Fünfte Ausführungsform
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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F1. Modifikation 1:
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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:
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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.
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F3. Modifikation 3:
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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.
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F4. Modifikation 4:
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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.
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F5. Modifikation 5:
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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.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzelle und Laminat
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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]