DE112007000860B4 - Film-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Film-Elektroden-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10), umfassend:
einen Hauptkörper-Abschnitt (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) mit einem Polymerelektrolyt-Film (5A) und einem Paar von Elektrodenschichten (5D), wobei jedes Paar der Elektrodenschichten (5D) in einem zentralen Bereich innerhalb eines peripheres Kantenabschnitts (5E) jeder der zwei Oberflächen des Polymerelektrolyt-Films (5A) angeordnet ist, und jedes Paar der Elektrodenschichten (5D) eine Katalysatorschicht (5B) und eine laminierte Diffusionsschicht (5C) aufweist, wobei die Diffusionsschicht (5C) eine Fläche besitzt, die größer ist als die Katalysatorschicht (5B), und wobei die Diffusionsschicht (5C) eine peripheren Kante aufweist, die von der Katalysatorschicht (5B) hervorsteht, wobei ein Spalt (5F) zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht (5C) und dem peripheren Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) gebildet wird;
ein Rahmenelement (6), in welches der periphere Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) mit einem Spalt (40) zu den gepaarten Elektrodenschichten (5D) eingeschoben ist, und welches aus einem plattenförmigen thermoplastischen Harz in der Weise hergestellt ist, dass...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Film-Elektroden-Anordnung, die für eine Brennstoffzelle verwendet wird, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Film-Elektroden-Anordnung, und eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Insbesondere bezieht sich die vorliegenden Erfindung auf eine Film-Elektroden-Anordnung mit einer Dichtung, die mit einem peripheren Kantenabschnitt eines Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung verbunden ist, auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, und auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Film-Elektroden-Anordnung.
  • Technischer Hintergrund
  • Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (im Folgenden als PEFC, engt: polymer electrolytic fuel cell, bezeichnet) ist eine Vorrichtung, die gleichzeitig Strom und Wärme dadurch erzeugt, dass ein Brenngas, welches Wasserstoff enthält, und ein oxidierendes Gas wie Luft, welches Sauerstoff enthält, elektrochemisch miteinander reagieren.
  • Im Allgemeinen wird die PEFC durch Laminieren der Zellen konfiguriert. Eine Einzelzelle wird durch Einschieben einer Film-Elektroden-Anordnung zwischen ein Paar von plattenförmigen leitfähigen Separatoren gebildet, insbesondere ein Anoden-Separator und ein Kathoden-Separator. Die Film-Elektroden-Anordnung ist mit einem Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung und einem Rahmenelement ausgestattet, welches sich entlang des peripheren Kantenabschnitts des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung erstreckt, um darauf so angeordnet zu werden, dass es den Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung umgibt. Der Hauptkörper der Film-Elektroden-Anordnung wird durch einen Polymerelektrolyt-Film und ein Paar von Elektrodenschichten, welche auf seinen zwei Oberflächen angeordnet sind, gebildet. So können ein Brenngas und ein oxidierendes Gas in Kontakt mit den beiden Oberflächen der Elektrodenschichten kommen, um eine elektrochemische Reaktion zu bewirken. Andererseits weist das Rahmenelement eine Dichtung auf, und der Spalt zwischen der Dichtung und den Separatoren wird gedichtet, so dass das Brenngas und das oxidierende Gas davon abgehalten oder gehindert werden, nach außen zu entweichen.
  • Zum Beispiel sind Brennstoffzellen mit dieser Struktur in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 2001155745 AA und im japanischen Patent JP 3368907 B2 offenbart. Der Brennstoffzelle, die in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 2001155745 AA offenbart ist, ist eine Dichtung zugeordnet, welche so ausgeformt ist, dass sie die Randfläche des Hauptkörper-Abschnitts einer Film-Elektroden-Anordnung bedeckt und die Randfläche dichtet. Bei dieser Dichtung sind jedoch zeitintensive Anstrengungen nötig, um ein Dichtmaterial, das in engem Kontakt mit dem peripheren Kantenabschnitt der Elektrodenschicht hergestellt wird, gerade in ausreichender Menge und gleichmäßig zu anzubringen, mit dem Ergebnis, dass dieses Verfahren nicht für die Massenproduktion geeignet ist. Da außerdem die Randfläche der Elektrodenschicht des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung von der Dichtung bedeckt wird, trägt der von der Dichtung bedeckte Randflächen-Abschnitt nicht zur Stromerzeugung bei, was zu einer Herabsetzung der Effizienz führt.
  • Aus diesem Grund kann durch derartiges Anordnen der Dichtung, dass sie den Randabschnitt der Elektrode des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung nicht bedeckt, mit dieser Dichtung die gesamte Fläche der Elektrodenschicht zur Stromerzeugung verwendet werden. Das japanische Patent JP 3368407 B2 offenbart dargestellt in seiner 3 eine Film-Elektroden-Anordnung, welche mit einem Spalt zwischen der Elektrodenschicht und der Dichtung ausgestattet ist (Gasdichtungselement).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zu lösende Aufgaben der Erfindung
  • Bei der Film-Elektroden-Anordnung, welche in der 3 des Patents JP 3368907 B2 offenbart ist, ist der Polymerelektrolyt-Film, der den Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung bildet, von dem Spalt her an der Oberfläche freigelegt Es wird offenbart, dass der Polymerelektrolyt-Film, wenn er oberflächlich freiliegt, aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem oxidierenden Gas zerrissen wird, was zu einem Verlust der Gasdichtungseigenschaft führt. Aus diesem Grund hat das Patent JP 3368907 B2 vorgeschlagen, eine blattförmige Schutzschicht auf dem Abschnitt anzuordnen, an dem der Polymerelektrolyt-Film an der Oberfläche freiliegt.
  • Es ist jedoch aus Sicht der Produktion schwierig, die Schutzschicht auf der peripheren Kante der Elektrodenschicht ohne Spalte auf der Oberfläche des Polymerelektrolyt-Films anzuordnen, und die Schutzschicht wird mit einem Abschnitt an der unteren Seite der Elektrodenschicht angeordnet (siehe 2 des japanischen Patents JP 3368907 B2 ). Wird die Schutzschicht auf diese Weise angeordnet, wird die Festigkeit des Polymerelektrolyt-Films verbessert, jedoch tragen Abschnitte, wo der Polymerelektrolyt-Film und die Elektrodenschicht nicht direkt miteinander in Kontakt stehen, nicht zur Stromerzeugung bei, so dass es nicht gelingt, die Effizienz der Stromerzeugung zu verbessern.
  • Um diese Probleme zu lösen, hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung in einer zuvor eingereichten Anmeldung (japanische Patentanmeldung JP 2006310288 AA , nicht vorveröffentlicht) eine Dichtungsstruktur offenbart, welche einen ringförmigen Abschnitt aufweist, der im Wesentlichen in Form eines Rings entlang der inneren Kante eines Rahmenelements gebildet wird und einen erweiterten Abschnitt aufweist, der in einer sich vom ringförmigen Abschnitt erstreckenden Weise gebildet ist, so dass dieser mit der Seitenfläche der Elektrodenschicht zusammentrifft, nachdem der erweiterte Abschnitt vom ringförmigen Abschnitt her den inneren Abschnitt des Rahmenelements und den peripheren Abschnitts des Polymerelektrolyt-Films überquert hat. Wie in 6(d) der Anmeldung gezeigt, verhindert diese Struktur, dass der Polymerelektrolyt-Film an der Oberfläche freiliegt, so dass das oben genannte Problem gelöst werden kann.
  • Allerdings wird die Elektrodenschicht normalerweise nicht in einer Einzelschichtstruktur gebildet, sondern in einer Multischichtstruktur, in welcher eine Katalysatorschicht, eine Kohlenstoffschicht („C-Schicht”) und eine Gasdiffusionsschicht auf dem Polymerelektrolyt-Film laminiert sind. Um die Katalysatorschicht effektiv zu nutzen, wird die Gasdiffusionsschicht normalerweise größer als die Katalysator schicht hergestellt, und in der Weise angeordnet, dass sie von der peripheren Kante der Katalysatorschicht vorsteht. Zudem wird die Seitenfläche der Elektrodenschicht wegen des vorstehenden Bereichs der Diffusionsschicht nicht fluchtend ausgeführt und der Abschnitt des Polymerelektrolyt-Films, der nicht von der Dichtung bedeckt ist, ist freiliegend. Das Brenngas und das oxidierende Gas, die durch die Diffusionsschicht hindurch diffundiert sind, treten in den Spalt ein, der sich unter dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht befindet, und tendieren dazu, eine Leckage des Brenngases und des oxidierenden Gases durch den Spalt zu verursachen.
  • Um die oben genannten Probleme zu lösen, ist es daher die technische Aufgabe dieser Erfindung, eine Film-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, welche verhindern kann, dass ein Polymerelektrolyt-Film freiliegt, eine Polymerelektrolyt-Zelle, welche für eine Brennstoffzelle verwendet wird und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und einer Film-Elektroden-Anordnung anzugeben.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • Um die oben genannten Ziele zu erreichen, umfasst die vorliegende Erfindung die folgenden Gestaltungen:
    Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Film-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle angegeben, welche umfasst:
    einen Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung mit einem Polymerelektrolyt-Film und ein Paar von Elektrodenschichten, wobei jedes Paar der Elektrodenschichten in einem zentralen Bereich innerhalb eines peripheres Kantenabschnitts jeder der zwei Oberflächen des Polymerelektrolyt-Films angeordnet ist, und jedes Paar der Elektrodenschichten eine Katalysatorschicht und eine laminierte Diffusionsschicht aufweist, wobei die Diffusionsschicht eine Fläche besitzt, die größer ist als die Katalysatorschicht, und wobei die Diffusionsschicht eine periphere Kante aufweist, die von der Katalysatorschicht hervorsteht, wobei ein Spalt zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht und dem peripheren Kantenabschnitt des Polymerelektrolyt-Films gebildet wird;
    ein Rahmenelement, in welches der periphere Kantenabschnitt des Polymerelektrolyt-Films mit einem Spalt zu den gepaarten Elektrodenschichten eingeschoben ist, und welches aus einem plattenförmigen thermoplastischen Harz in der Weise hergestellt ist, dass es eine periphere Kante des Polymerelektrolyt-Films umgibt; und
    eine Dichtung, die auf jeder der zwei Flächen des Rahmenelements angeordnet ist, wobei die Dichtung aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist und einen ringförmigen Abschnitt, der entlang einer inneren Kante des Rahmenelements angeordnet ist und den Spalt an der inneren Kante des Rahmenelements bedeckt, wobei eine Rippe auf dem ringförmigen Abschnitt gebildet wird und sich entlang der inneren Kante des Rahmenelements erstreckt, und einen spaltfüllenden Abschnitt zum Füllen des Spaltes zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht und dem peripheren Kantenabschnitt des Polymerelektrolyt-Films umfasst.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Film-Elektroden-Anordnung für die Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei sich die Position, an welcher auf dem ringförmigen Abschnitt der Dichtung die gestreckte Rippe entlang der inneren Kante des Rahmenelements gebildet wird, innerhalb eines äußeren peripheren Rands des in das Rahmenelement eingeschobenen Polymerelektrolyt-Films befindet.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Film-Elektroden-Anordnung für die Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei der gegenüber der Katalysatorschicht vorstehende Abschnitt der Diffusionsschicht eine Vorsprungsweite aufweist, die kleiner als die Dickenausdehnung der Diffusionsschicht ist.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Film-Elektroden-Anordnung für die Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei in der Diffusionsschicht eine Randfläche des gegenüber der Katalysatorschicht vorstehenden Abschnitts mit einer sich verjüngenden Form ausgebildet ist.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird die Film-Elektroden-Anordnung für die Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei die Elektrodenschichten, die jeweils auf den zwei Oberflächen des Polymerelektrolyt-Films gebildet sind, in Positionen angeordnet sind, die auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche voneinander verschoben sind, wobei die Positionen der Spalte in Richtung der vorderen Oberfläche und in Richtung der hinteren Oberfläche unterschiedlich sind.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird die Film-Elektroden-Anordnung für die Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei das Rahmenelement ein Paar von Verteilerlöchern zum entsprechenden Zuführen eines Brenngases und eines oxidierenden Gases zum Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung umfasst, wobei die ringförmigen Abschnitte der Dichtung auf den peripheren Abschnitten des Paares der Verteilerlöcher angeordnet sind.
  • Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung wird eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angegeben, die umfasst:
    eine Film-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1; und
    einen Anoden-Separator und einen Kathoden-Separator, die jeweils so angeordnet sind, dass die Film-Elektroden-Anordnung dazwischen eingeschoben ist, wobei der Anoden-Separator und der Kathoden-Separator so geformt sind, dass Abschnitte der Separatoren, die in Kontakt mit den ringförmigen Abschnitten der Dichtungen stehen, die auf der Peripherie des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung gebildet sind, in denselben Formen ausgebildet sind wie die äußeren Formen der Oberflächen der ringförmigen Abschnitte der Dichtungen, und dass kein Spalt zwischen den ringförmigen Abschnitten der Dichtungen und den mit den ringförmigen Abschnitten der Dichtungen in Kontaktstehenden Abschnitten der Separatoren gebildet wird.
  • Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung wird eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angegeben, die mehr als eine laminierte Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem siebten Aspekt umfasst.
  • Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Film-Elektroden-Anordnung angegeben, umfassend:
    Herstellen von Katalysatorschichten auf zwei Oberflächen eines Polymerelektrolyt-Films auf einer inneren Seite von einem peripheren Kantenabschnitt des Polymerelektrolyt-Films, und
    Herstellen eines Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung durch Anordnen einer Diffusionsschicht auf jeder der Oberflächen der Katalysatorschicht in einem laminierten Zustand, wobei die Diffusionsschicht eine Fläche besitzt, die größer ist als die Katalysatorschicht mit einer peripheren Kante, die von der Katalysatorschicht vorsteht, mit einem Spalt, der zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht und dem peripheren Kantenabschnitt des Polymerelektrolyt-Films gebildet wird;
    Herstellen eines Formkörpers mit einer Rahmenform mit einem flachen Abschnitt, der auf einer inneren Rahmenkante durch Gießen eines thermoplastischen Harzes zwischen eine erste und eine zweite Form gebildet wird;
    Verbinden einer dritten Form mit der ersten Form, an welche der Formkörper angepasst ist, wobei der Formkörper den Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung innerhalb des Rahmens des Formkörpers hat, so dass der periphere Kantenabschnitt des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung auf dem flachen Abschnitt angeordnet ist, und Gießen eines thermoplastischen Harzes zwischen die erste Form und die dritte Form, um ein Rahmenelement auszuformen, mit dem der Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung verbunden wird;
    Verbinden einer vierten Form und einer fünften Form miteinander, während das mit dem Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung verbundene Rahmenelement dazwischengeschoben wird, und Gießen eines geschmolzenen Harzes zwischen der vierten Form und der fünften Form, um eine Dichtung auszuformen, wobei die Dichtung einen ringförmigen Abschnitt, der entlang der inneren Kante des Rahmenelements angeordnet ist und das Rahmenelement von der inneren Kante des Rahmenelements zu der äußeren Kante der Diffusionsschicht bedeckt, eine Rippe, die auf dem ringförmigen Abschnitt angeordnet ist und sich entlang der inneren Kante des Rahmenelements erstreckt und einen spaltfüllenden Abschnitt zum Fellen des Spaltes zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht und des peripheren Kantenabschnitts des Polymerelektrolyt-Films umfasst.
  • Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird kein Spalt zwischen dem Rahmenelement und der Diffusionsschicht gebildet, da ein ringförmiger Abschnitt, der derart entlang der inneren Kante eines Rahmenelements so angeordnet ist, dass er einen Abschnitt von der inneren Kante des Rahmenelements zu der äußeren Kante der Diffusionsschicht bedeckt, bereitgestellt wird. Da der ringförmige Abschnitt von der inneren Kante des Rahmenelements zur äußeren Kante der Diffusionsschicht angeordnet ist, ohne die Diffusionsschicht zu bedecken, wird zudem der Oberflächenbereich der Diffusionsschicht, der in Kontakt mit einem Brenngas und einem oxidierenden Gas gebracht werden kann, nicht verringert, so das die Effizienz der Stromerzeugung auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.
  • Da ein spaltfüllender Abschnitt gebildet wird, der in den Spalt zwischen der Diffusionsschicht und dem Polymerelektrolyt-Film gespritzt wird, werden das von der Rahmenelementseite zugeführte Brenngas und das oxidierende Gas daran gehindert, durch die Diffusionsschicht hindurchzutreten und in den Spalt vom vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht zum Polymerelektrolyt-Film zu fließen, so dass es vermieden werden kann, dass diese Gase eine Abkürzung nehmen, ohne mit der Katalysatorschicht in Berührung zu kommen.
  • Daher kann die Brennstoff-Verwertungsrate verbessert und der Stromerzeugungsprozess stabiler ausgeführt werden. Weiterhin kann die hermetische Eigenschaft zwischen der Film-Elektroden-Anordnung und den Separatoren durch Bilden einer Rippe auf der Oberfläche des ringförmigen Abschnitts verbessert werden.
  • Weiterhin ermöglicht es die Rippe, die auf der Oberfläche des ringförmigen Abschnitts gebildet wird, die hermetische Eigenschaft zwischen den Separatoren und den entsprechenden Elektroden-Anordnungen zu erhöhen. Die Position für die Bildung der Rippe wird innerhalb der peripheren Kante des Polymerelektrolyt-Films gewählt, so dass es möglich wird, zu verhindern, dass das Rahmenelement aufgrund des Drucks, der in Kombination mit den Separatoren auf die Rippe wirkt, auf den Polymerelektrolyt-Film drückt, was dazu führt, dass das Brenngas oder das oxidierende Gas eine Abkürzung in Richtung der gegenüberliegenden Seitenfläche durch den Spalt zwischen dem Polymerelektrolyt-Film und dem Rahmenelement nehmen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen deutlich werden, in denen:
  • 1 eine teilweise perspektivische Explosionsansicht ist, welche schematisch eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 eine Teil-Explosions-Querschnittsansicht von zu Zellenlaminierten Schichten auf einem Querschnitt entlang der Linie II-II von 1 ist;
  • 3 eine Draufsicht ist, welche eine Oberflächenstruktur einer Film-Elektroden-Anordnung aus 1 auf einer dem Anoden-Separator zugewandten Seite zeigt;
  • 4 eine Draufsicht ist, die eine Oberflächenstruktur einer Film-Elektroden-Anordnung auf aus 1 auf einer dem Kathoden-Separator zugewandten Seite zeigt;
  • 5A eine perspektivische Querschnittsansicht ist, welche einen Grenzabschnitt zwischen einer Dichtung der Film-Elektroden-Anordnung und einer Elektrodenschicht zeigt;
  • 5B eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht ist, welche eine Struktur einer Elektrodenschicht des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung zeigt;
  • 5C eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht ist, welche eine Struktur einer Elektrodenschicht eines Hauptkörper-Abschnitts einer Film-Elektroden-Anordnung gemäß einer Modifikation zeigt;
  • 6A bis 6D Herstellungs-Prozessdiagramme sind, welche schematisch jeden Herstellungsprozess der Film-Elektroden-Anordnung in einem Querschnitt entlang der Linie VI-VI von 3 und 4 zeigen;
  • 7A eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht ist, welche eine Film-Elektroden-Anordnung gemäß einer Modifikation zeigt; und
  • 7B eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht ist, welche eine Film-Elektroden-Anordnung gemäß einer anderen Modifikation zeigt.
  • Beste Weise, die Erfindung auszuführen
  • Bevor die Beschreibung der vorliegenden Erfindung weitergeführt wird, wird angemerkt, dass gleiche Teile in den begleitenden Zeichnungen durchgehend mit gleichen Referenznummern gekennzeichnet werden. Unter Bezug auf die Zeichnungen wird ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail unten beschrieben.
  • 1 ist eine perspektivische Explosionszeichnung, welche schematisch einen Abschnitt einer Struktur einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in 1 gezeigt, wird eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) mittels laminierter Schichten von Zellen 10 gebildet.
  • Auch wenn nicht gezeigt, sind eine Kollektorplatte, eine Isolierplatte und eine Endplatte an der äußersten Schicht jeder der zwei Enden der Zelle 10 angebracht, und die Zellen 10 sind miteinander von den zwei Enden mit Befestigungsbolzen, die in Bolzenlöchern 4 eingesetzt werden, und Muttern (beide nicht gezeigt) befestigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechzig Zellen 10 aneinander laminiert bzw. geschichtet und mittels der Bolzen, die in die Bolzenlöcher 4 eingesetzt werden, und der Mutter mit einer Befestigungskraft von 10 kN befestigt.
  • Jede Zelle 10 hat eine Struktur, in welcher ein Rahmenelement 6 auf dem peripheren Kantenabschnitt von zwei Oberflächen einer Film-Elektroden-Anordnung 1 ausgebildet ist, genauer ist eine Dichtung 7 in ein Paar von leitfähigen Separatoren, insbesondere ein Anoden-Separator und ein Kathoden-Separator 3, eingeschoben. Mit dieser Anordnung wird eine Diffusionsschicht 5C (siehe 2), die auf der äußeren Seite einer Elektrodenschicht des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, in Kontakt mit den Oberflächen der Separatoren 2 und 3 gebracht, so dass ein Diffusionsschicht-Kontaktabschnitt 21A einer Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 des Anoden-Separators 2 als auch ein Diffusionsschicht-Kontaktabschnitt 31A einer Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31 des Kathoden-Separators 3 und die Diffusionsschicht 5C einen Durchfluss für Brenngas und einen Durchfluss für oxidierendes Gas definieren. Ein Brenngas, welches durch den Diffusionsschicht-Kontaktabschnitt 21A fließt, tritt in Kontakt mit der Diffusionsschicht 5C auf der dem Separator 2 zugewandten Seite der Anode, um eine elektrochemische Reaktion der PEFC 100 hervorzurufen. In den laminierten Zellen sind die benachbarten Hauptabschnitte der Film-Elektroden-Anordnungen 5 elektrisch in Serie oder parallel miteinander verbunden.
  • Entsprechende Paare von Durchgangslöchern, durch welche ein Brenngas und ein oxidierendes Gas fließen können, also Verteilerlöcher 12, 22 und 32 für Brenngas und Verteilerlöcher 13, 23 und 33 für oxidierendes Gas, werden auf den peripheren Kantenabschnitten der Separatoren 2 und 3 und der Film-Elektroden-Anordnung 1 gebildet, also auf dem Rahmenelement 6. Im laminierten bzw. geschichteten Zustand der Zellen 10 werden diese Löcher gestapelt, um Verteiler für Brenngas und Verteiler für oxidierendes Gas zu bilden.
  • Auf der Hauptfläche im Anoden-Separator wird die Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 so geformt, dass die gepaarten Verteilerlöcher für Brenngas 22 miteinander verbunden werden. Auf der Hauptfläche im Kathoden-Separator 3 wird die Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas so geformt, dass die gepaarten Verteilerlöcher für oxidierendes Gas 33 miteinander verbunden werden. Diese Struktur ist so gestaltet, dass das oxidierende Gas und das Brenngas von den entsprechenden Verteilern abgezweigt werden, also von den Verteilern auf der Zuführseite in die Durchfluss-Vertiefungen 21 und 31, und so mit den anderen Verteilern, also den Verteilern auf der Abführseite, kommunizieren können.
  • Im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 ist die Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 so konstruiert, dass sie einen Diffusionsschicht-Kontaktabschnitt 21A auf der Oberfläche, der in Kontakt mit der Diffusionsschicht 5C steht, und ein Paar von kommunizierenden Abschnitten (kommunizierende Durchfluss-Vertiefungen) 21B aufweist, welches so gebildet ist, dass es zwischen der Oberfläche, die in Kontakt mit der Diffusionsschicht 5C steht, und der dem peripheren Abschnitt der Diffusionsschicht 5C gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet ist Auf dieselben Weise ist die Durchfluss-Vertiefung 31 im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 so konstruiert, dass sie einen Diffusionsschicht-Kontaktabschnitt 31A auf der Oberfläche, die in Kontakt mit der Diffusionsschicht 5C steht, und ein Paar von kommunizierenden Abschnitten (kommunizierende Durchfluss-Vertiefungen) 31B, die zwischen der Oberfläche, die in Kontakt mit der Diffusionsschicht 5C steht, und der dem peripheren Abschnitt der Diffusionsschicht 5C gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet sind, aufweist. In diesem Fall werden die kommunizierenden Abschnitte 21B und 31B so gebildet, dass sie die gepaarten Verteilerlöcher 22 und 33 entsprechend mit dem Diffusionsschicht-Kontaktabschnitt 21A und 31A verbinden. In dieser Anordnung werden das oxidierende Gas und das Brenngas entsprechend abgezweigt und fließen in die kommunizierenden Abschnitte 21B und 31B vom Verteilerloch für Brenngas 22 und vom Verteilerloch für oxidierendes Gas 33 auf der Zuführseite, und treten in den entsprechenden Diffusionsschicht-Kontaktabschnitten 21A und 31A mit der Diffusionsschicht 5C in Kontakt, so dass eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann. Die überschüssigen resultierenden Gase und Komponenten des Reaktionsproduktes werden dann über das Verteilerloch für Brenngas 22 und über das Verteilerloch für oxidierendes Gas 33 auf der Abführseite über die kommunizierenden Abschnitte 21B und 31B abgeführt, die entsprechend mit dem Verteilerloch für Brenngas 22 und dem Verteilerloch für oxidierendes Gas 33 auf der Abführseite verbunden sind.
  • Die Dichtungen 7 sind auf den Hauptflächen der beiden Seiten des Rahmenelements 6 der Film-Elektroden-Anordnung angeordnet. Die Dichtungen 7 sind so angeordnet, dass das oxidierende Gas und das Brenngas nicht von den vorbestimmten Durchflossen 21 und 31 zu der Außenseite der Durchflösse 21 und 31 fließen können. Die Dichtungen 7 sind also so gebildet, dass sie die peripheren Abschnitte der Verteilerlöcher 12, 13 und 14 und den peripheren Abschnitt des Rahmens umgeben. Weiterhin ist im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 auf der Seite des Anodenseparators 2 an einer Position, die mit dem kommunizierenden Abschnitt 21B der Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 in Kontakt steht, keine Dichtung 7 angeordnet, während die Dichtung 7 in der Weise angeordnet ist, dass sie integral das Verteilerloch für Brenngas 12 und den Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung umgibt. Auf dieselbe Weise ist im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 auf der Seite des Kathodenseparators 3 an einer Position, die mit dem kommunizierenden Abschnitt 31B der Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31 in Kontakt steht, keine Dichtung 7 angeordnet; daher verursachen die Dichtungen 7 keine Blockade des Brenngases, welches zwischen dem Verteilerloch für oxidierendes Gas 13 und dem Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung fließt, sowie des oxidierenden Gases, welches zwischen dem Verteilerloch für oxidierendes Gas 33 und dem Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung fließt, und die Dichtungen 7 ermöglichen es, eine Leckage der Gase aus der Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 und der Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31 zu verhindern. Es soll hier angemerkt werden, dass in 1 zur Vereinfachung der Erklärung die gewundenen Strukturen der Dichtungen 7 und der Durchfluss-Vertiefungen 21 und 31 der Diffusionsschicht-Kontaktabschnitte 21A und 31A der Separatoren 2 und 3 nur schematisch dargestellt sind.
  • Es sei angemerkt, dass die Verteiler als sogenannte externe Verteiler vorbereitet werden können. Falls, die externe Verteilerstruktur angewendet wird, werden keine der Verteilerlöcher für Brenngas 12, 22 und 32 und keine der Verteilerlöcher für oxidierendes Gas 13, 23 und 33 in der Film-Elektroden-Anordnung und den Separatoren 2 und 3 gebildet, wobei die kommunizierenden Abschnitte 21B und 31B der Durchfluss-Vertiefungen für Brennstoff 21 und die Durchfluss-Vertiefungen für oxidierendes Gas 31 sich zu den Randflächen der entsprechenden Separatoren 2 und 3 erstrecken. Dann werden Leitungen, welche entsprechend das Brenngas und das oxidierende Gas liefern, abgezweigt und mit den Randflächen der entsprechenden Separatoren 2 und 3 verbunden. Im Fall von externen Verteilern werden die Dichtungen 7 so angeordnet, dass sie sich zu den Randflächen des Rahmenelements 6 entlang der peripheren Abschnitte der kommunizierenden Abschnitte 21B und 31B der Durchfluss-Vertiefungen für Brenngas 21 und den Durchfluss-Vertiefungen für oxidierendes Gas 31 erstrecken.
  • Auf dieselbe Weise wie bei den Verteilerlöchern für Brenngas 12, 22 und 32 und den Verteilerlöchern für oxidierendes Gas 13, 23 und 33 werden Wasser-Verteilerlöcher 14, 24 und 34, welche zwei Paare von Verteilern bilden, durch die Kühlwasser fließt, auf den peripheren Kantenabschnitten der Separatoren 2, 3 und der Film-Elektroden-Anordnung 1 gebildet. Mit dieser Anordnung werden diese Verteilerlöcher im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 gestapelt, um die zwei Paare der Wasser-Verteiler zu bilden.
  • 2 ist eine Teil-Explosions-Querschnittsansicht, die einen Querschnitt von zu Zellen laminierten Schichten auf einem Querschnitt entlang der Linie II-II von 1 zeigt. Der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung wird durch einen Polymerelektrolyt-Film 5A, der selektiv Wasserstoffionen transportiert, und ein Paar von Elektrodenschichten 5D auf den zwei Flächen des Polymerelektrolyt-Films 5A gebildet, also anodische und kathodische Elektrodenschichten. Die Elektrodenschicht 5D hat eine Zweischicht-Struktur aus einer Katalysatorschicht 5B und eine Diffusionsschicht 5C. Normalerweise wird diese Katalysatorschicht 5B, die hauptsächlich aus Kohlenstoffpulver zusammengesetzt ist, das einen Platinmetal-Katalysator trägt, auf einer Oberfläche des Polymerelektrolyt-Films 5A gebildet. Die Diffusionsschicht 5C, welche auf der äußeren Fläche der Katalysatorschicht 5B gebildet wird, hat sowohl eine entlüftende als auch eine elektronenleitende Eigenschaft. Es soll angemerkt wenden, dass die Katalysatorschicht 5B eine Zweischicht-Struktur inklusive einer Kohlenstoff-Schicht („C-Schicht”) und einer Platin-Kohlenstoffschicht haben kann, die nicht gezeigt sind. Weiterhin ist die Diffusionsschicht 5C so geformt, dass sie von der peripheren Kante der Katalysatorschicht 5B (siehe 5A) vorsteht. Der Grund, warum die Diffusionsschicht 5C so geformt ist, dass sie von der Katalysatorschicht 5B vorsteht, ist der, dass das Brenngas oder das oxidierende Gas über die gesamte Oberfläche der Katalysatorschicht 5B verteilt werden muss. Da die Diffusionsschicht 5C normalerweise größer als die Katalysatorschicht 5B ist, kann die gesamte Oberfläche der Katalysatorschicht 5B in Kontakt mit der Diffusionsschicht 5C gebracht werden, so dass das Brenngas oder das oxidierende Gas über die gesamte Oberfläche der Katalysatorschicht 5B verteilt werden kann.
  • Der Anoden-Separator 2 und der Kathoden-Separator 3, welche beide eine flache Plattenform haben, sind mit Stufen 25 und 35 auf den Flächen, die in Kontakt mit der Film-Elektroden-Anordnung 1 stehen, ausgestattet, also auf den inneren Flächen, so dass jeder der zentralen Abschnitte in einer Trapezform vorsteht, der Form der Film-Elektroden-Anordnung folgend, genauer, den Stufen, die durch einen Dickenunterschied zwischen dem Rahmenelement 6 und dem Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung gebildet werden. Der Anoden-Separator 2 und der Kathoden-Separator 3 sind hier aus einem glasigen Kohlenstoff (3 mm Dicke) der Firma Tokai Carbon Co., Ltd. hergestellt. In den Separatoren 2 und 3 werden verschiedene Verteilerlöcher 22, 23, 24, 32, 33, 34 und Bolzenlöcher 4 gebildet, welche die Separatoren 2 und 3 in der Dickenrichtung durchlaufen.
  • Auf der inneren Fläche der Separatoren 2 und 3 werden die Durchfluss-Vertiefungen für Brenngas 21 und die Durchfluss-Vertiefungen 31 für oxidierendes Gas gebildet, und auf den hinteren Flächen der Separatoren 2 und 3 werden Wasser-Durchfluss-Vertiefungen gebildet Die verschiedenen Verteilerlöcher 22, 23, 24, 32, 33, 34, die Bolzenlöcher 4, die Durchfluss-Vertiefungen für Brenngas 31, die Wasser-Durchfluss-Vertiefungen 50 und dergleichen werden durch Schneidprozesse oder durch Ausformprozesse (engl. molding processes) gebildet Die Wasser-Durchfluss-Vertiefungen 50 werden so gebildet, dass die zwei Paare der Wasser-Verteilerlöcher 24 und 34 miteinander verbunden werden. Die Anordnung ist so ausgeführt, dass Wasser von einem der Verteiler abgezweigt wird, also von dem Verteiler auf der Zuführseite in Richtung der Wasser-Durchfluss-Vertiefungen 50, und dass Wasser in den anderen Verteiler fließen kann, also den Verteiler auf der Abführseite. Mit dieser Anordnung können die Zeilen 10 durch die wärmeübertragende Eigenschaft von Wasser auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden, die für die elektrochemische Reaktion geeignet ist. Es sei angemerkt, dass auf dieselbe Weise wie für das Brenngas und das oxidierende Gas die Wasserverteiler-Löcher 14, 24 und 34 nicht auf den Separatoren 2 und 3 und der peripheren Kante der Film-Elektroden-Anordnung 1 gebildet werden müssen, und Kühlungszufuhr-Abführdurchflüsse externe Verteilerstrukturen aufweisen können. Außerdem können ohne die Bildung von Wasser-Durchfluss-Vertiefungen 50 auf den hinteren Flächen der Separatoren 2 und 3 die Zellen 10 mit einer Kühleinheit gestapelt werden, durch welche Kühlwasser, das zwischen benachbarten Zellen eingeführt wird, zirkuliert.
  • Die Dichtung 7, welche aus einem elastischen Bauteil hergestellt ist, wird deformiert, wenn die Film-Elektroden-Anordnung 1 und die Separatoren 2 und 3 auf sie gepresst werden, so dass der periphere Abschnitt des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung und der periphere Abschnitt des Verteilerlochs 14 gedichtet werden. Es soll in Bezug auf das Verteilerloch für Brenngas 12 und das Verteilerloch für oxidierendes Gas 13 angemerkt werden, dass der periphere Abschnitt jedes der Verteilerlöcher mit der Dichtung 7 auf dieselbe Weise gedichtet wird. Weiterhin wird ein peripherer Spalt 40 auf der Peripherie des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung zwischen dem Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung und der Elektrodenschicht 5D gebildet Wie später beschrieben wird, dichtet die Dichtung 7 ebenfalls diesen peripheren Spalt 40 des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung.
  • Ein Vertiefungsabschnitt 6A wird auf einem Abschnitt, entlang welchem ein ringförmiger Abschnitt 7A der Dichtung 7 angeordnet ist, auf jeder der Oberflächen des Rahmenelements 6 gebildet, und der ringförmige Abschnitt 7A ist so geformt, dass der Vertiefungsabschnitt 6A verdeckt wird. Die verbindende Eigenschaft zwischen der Dichtung 7 und dem Rahmenelement 6 kann durch diesen Vertiefungsabschnitt 6A verbessert werden.
  • Das Rahmenelement 6 ist aus einem thermoplastischen Harz hergestellt. Dieses thermoplastische Harz ist chemisch rein und stabil bei einer Betriebstemperatur der PEFC 100 oder unterhalb davon, und hat einen geeigneten Elastizitätsmodul und eine vergleichsweise hohe Biegungstemperatur (engl. deflection temperature) unter Last. Zum Beispiel für den Fall, in dem der Durchfluss für Brenngas 21 und der Durchfluss für oxidierendes Gas 31 der Separatoren 2 und 3 eine Weite von ungefähr 1 bis 2 mm haben, und die Dicke des Rahmenelements 6 auf ca. 1 mm oder weniger gesetzt wird, ist der Kompressionsmodul des Rahmenelements 6 vorzugsweise zu mindestens 2000 MPa oder mehr gewählt. Der Elastizitätsmodul hier bezieht sich auf ein Kompressionsmodul, welches nach einem Kompressionsmodul-Messverfahren gemäß JIS-K7181 gemessen wird. Da die Betriebstemperatur der PEFC 100 im Allgemeinen bei 90°C oder weniger liegt, wird die Biegungstemperatur unter Last des Rahmenelements 6 vorzugsweise zu 120°C oder mehr gewählt. Aus Sicht der chemischen Stabilität ist das Rahmenelement 6 vorzugsweise nicht aus einem amorphen Harz, sondern aus einem kristallinen Harz hergestellt, und unter solchen Harzen wird dasjenige vorzugsweise verwendet, das eine erhöhte mechanische Festigkeit und eine hohe Hitzebeständigkeit aufweist. Zum Beispiel werden solche eines sogenannten „super engineering plastic grade” bevorzugt verwendet, und Beispiele dafür umfassen Polyphenylen-Sulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), kristallines Polymer (LCP), Polyethemitril (PEN). Diese Materialien haben einen Kompressionsmodul in dem Bereich von einigen tausend bis einigen zehntausend MPa, und eine Biegungstemperatur unter Last von 150°C oder höher und werden bevorzugt verwendet. Unter den im Allgemeinen verwendeten Materialien hat zum Beispiel mit Glasfüller gefülltes Polypropylen (GFPP) ein Elastizitätsmodul, das um ein Vielfaches höher ist als das von nicht gefülltem Polypropylen (Kompressionsmodul 1000 bis 1500 MPa) und eine Beugungstemperatur unter Last nahe 150°C und wird bevorzugt verwendet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird PPS, ein thermoplastisches Harz, dem Glasfüller zugesetzt wurde (DIC-PPS FZ1140-B2: hergestellt von Dainippon Ink & Chemicals, Incorporated), verwendet.
  • Die Dichtung 7 ist aus einem thermoplastischen Harz oder einem thermoplastischen Elastomer hergestellt. Dieses thermoplastische Harz oder dieses thermoplastische Elastomer ist chemisch stabil unter Betriebsbedingungen der PEFC 100 und hat eine derartige Heißwasserbeständigkeit, dass keine Hydrolyse verursacht wird. Zum Beispiel wird das Kompressionsmodul der Dichtung 7 vorzugsweise zu 200 MPa oder weniger gewählt. Das bevorzugte Beispiel des Materials wird ausgewählt aus der Gruppe, die umfasst: Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinyl-Alkohol, Polyacrylamid, Polyamid, Polycarbonat, Polyacetal, Polyurethan, Silizium, Fluoroharz, Polybutylen-Terephthalat, Polyethylen-Terepthalat, syndiotaktisches Polystyrol, Polyphenlyensulfid, Polyletheretherketon, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyallylat, Polyamidimid, Polyetherimid und thermoplastisches Polyimid. Es wird daher möglich, die gewünschten Dichtungseigenschaften unter Befestigungslast der PEFC 100 zu gewährleisten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Santprene 8101-55 (hergestellt von Advanced Polymer System) verwendet, ein auf Polyolefin basierendes thermoplastisches Elastomer. Ein Altzweck-Dichtkörper 9, wie eine komprimierte Packung, welche aus hitzeresistentem Material hergestellt ist, wird auf der Peripherie von jedem der verschiedenen Verteilerlöcher auf der Rückseite des Anoden-Separators 2 und des Kathoden-Separators 3 angeordnet. Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine Leckage des Brenngases, des oxidierenden Gases und des Wassers von den verbindenden Abschnitten der verschiedenen Verteilerlöcher 22, 23, 24, 32, 33 und 34 zwischen den benachbarten Zeilen 10 zu verhindern.
  • 3 ist eine Draufsicht, welche eine Oberflächenstruktur einer Film-Elektroden-Anordnung aus 1 auf der dem Anoden-Separator zugewandten Seite zeigt, und 4 ist eine Draufsicht, die eine Oberflächenstruktur einer Film-Elektroden-Anordnung von 1 auf der dem Kathoden-Separator zugewandten Seite zeigt. In den beiden Figuren kennzeichnen abwechselnd lange und kurze gestrichelte Linien die Positionen, wo im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 der Durchflussweg 21 für Brenngas und der Durchflussweg 31 für oxidierendes Gas des Anoden-Separators 2 und des Kathoden-Separators 3 in Kontakt miteinander oder entgegengesetzt zueinander gebracht werden.
  • Wie in 3 und 4 gezeigt, hat die Film-Elektroden-Anordnung 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Struktur, in welcher das Rahmenelement 6 auf dem peripheren Kantenabschnitt des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, wobei die Dichtung 7 über jeder der beiden Hauptflächen des Rahmenelements und des peripheren Kantenabschnitts 5E des Polymerelektrolyt-Films 5A angeordnet ist.
  • Das Rahmenelement 6 ist ein Rahmenelement mit einer rechteckigen Form, in welches der Polymerelektrolyt-Film 5A des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung (siehe 2) eingeschoben ist, und das mit der äußeren peripheren Kante des Polymerelektrolyt-Films 5A verbunden ist. Wie zuvor beschrieben, ist das Rahmenelement 6 mit einem Paar von Verteilerlöchern für Brenngas 12, einem Paar von Verteilerlöchern für oxidierendes Gas 13, zwei Paaren von Wasser-Verteilerlöchern 14 und vier Bolzenlöchern 4 in der Nähe der Ecken des Rahmenelements 6 ausgestattet, welche so geformt sind, dass sie das Rahmenelement in der Richtung der Dicke durchlaufen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Rahmenelement 6 als rechteckige flache Platte mit den äußeren Abmessungen von 200 mm × 180 mm und einer Öffnung mit Abmessungen von 124 mm im Quadrat hergestellt. Die Dicke des Rahmenelements 6 beträgt 0,8 mm.
  • Die Dichtung 7 ist mit ringförmigen Abschnitten 7A ausgestattet, die das Paar von Verteilerlöchern für Brenngas 12, das Paar von Verteilerlöchern für oxidierendes Gas 13 und die beiden Paare der Wasser-Verteilerlöcher 14 umgeben, und ebenfalls die Diffusionsschicht 5C des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung. Wie in 3 gezeigt, sind die ringförmigen Abschnitte 7A auf der dem Anoden-Separator 2 zugewandten Seite so geformt, dass sie integral die Verteilerlöcher für Brenngas 12 und den Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung umgeben und wie in 4 gezeigt, sind auf der dem Kathoden-Separator 3 zugewandten Seite die ringförmigen Abschnitte 7A so geformt, dass sie die Verteilerlöcher für das oxidierende Gas 13 und den Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung umgeben. Mit dieser Anordnung werden das Brenngas und das oxidierende Gas daran gehindert, aus der Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 und aus der Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31 zu fließen. In diesem Fall verursachen die ringförmigen Abschnitte 7A der Dichtung 7 einen Durchfluss-Widerstand an den kommunizierenden Abschnitten 21B und 31B der Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 und der Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31; allerdings sind die ringförmigen Abschnitte 7A, welche in Kon takt mit den kommunizierenden Abschnitten 21B und 31B treten, an Positionen angeordnet, wo die Stufen 25 und 35 der jeweiligen Separatoren 2 und 3 gebildet werden, und da die an den jeweiligen Separatoren 2 und 3 gebildeten Vertiefungen ausreichend tief sind, stellen die ringförmigen Abschnitte kein Hindernis für den Durchfluss des Brenngases und des oxidierenden Gases dar. Es soll angemerkt werden, dass im zusammengesetzten Zustand der Zellen 10 die ringförmigen Abschnitte 7A der Dichtung 7 nicht an Positionen ausgebildet werden brauchen, an denen sie in Kontakt mit den kommunizierenden Abschnitten 21B und 31B der Durchfluss-Vertiefung für Brenngas 21 und den Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31 treten. In diesem Fall kann der Durchfluss-Widerstand der kommunizierenden Abschnitte 21B und 31B der Durchfluss-Vertiefung 21 für Brenngas und der Durchfluss-Vertiefung für oxidierendes Gas 31 weiter reduziert werden.
  • 5A ist eine perspektivische Querschnittsansicht, welche einen Grenzabschnitt zwischen einer Dichtung und einer Elektrodenschicht der Film-Elektroden-Anordnung zeigt. Zwischen den ringförmigen Abschnitten 7A und den Elektrodenschichten 5D des Hauptabschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung sind die Stufen 25 und 35 der Separatoren 2 und 3 so geformt, dass sie einen eng kontaktierenden Zustand ohne Spalt bereitstellen.
  • Wie oben beschrieben, sind die ringförmigen Abschnitte 7A der Dichtung 7 ringförmig ausgestaltet, um den peripheren Kantenabschnitt 5E entlang der inneren Kante des Rahmenelements 6 auf jeder der Hauptflächen des Rahmenelements 6 zu bedecken, und die Oberflächen 71 der ringförmigen Abschnitte 7A sind in einer derartigen Weise geformt, dass sie den Stufen des Anoden-Separators 2 und des Kathoden-Separators 3 folgen; daher ist die Struktur so hergestellt, dass keine Spalte zwischen den Oberflächen der ringförmigen Abschnitte und den Oberflächen der Separatoren 2 und 3 gebildet werden, wenn die Film-Elektroden-Anordnung und die Separatoren 2 und 3 miteinander kombiniert werden.
  • Wie oben beschrieben, bildet der Abschnitt, an dem die Diffusionsschicht 5C von der peripheren Kante der Katalysatorschicht 5B vorsteht, einen Spalt relativ zum Polymerelektrolyt-Film 5A. Ein spaltfüllender Abschnitt 7B der Dichtung 7 ist ebenfalls in diesem Spalt gebildet, wie später beschrieben wird.
  • Indem die ringförmigen Abschnitte 7A auf diese Weise gebildet werden, wird es durch komplettes Dichten des peripheren Spalts 40 am Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung, also des Spaltes zwischen dem Rahmenelement 6 und der Elektrodenschicht 5D, möglich, komplett zu verhindern, dass das Brenngas und das oxidierende Gas von den entsprechenden Verteilern in die anderen Verteiler fließen, nachdem diese durch den peripheren Spalt 40 des Hauptkörper-Abschnitts der Film-Elektroden-Anordnung durchgetreten sind, ohne durch die Durchfluss-Vertiefung 21 für Brenngas und durch die Durchfluss-Vertiefung 31 für oxidierendes Gas hindurchzutreten. Dadurch, dass die Form der ringförmigen Abschnitte 7A so gebildet wird, dass sie zu den Stufen 25 und 35 des Anoden-Separators 2 und des Kathoden-Separators 3 passt, wird kein Spalt zwischen der Film-Elektroden-Anordnung 1 und dem Anoden-Separator 2 sowie dem Kathoden-Separator 3 gebildet, so dass es möglich wird, eine Leckage des Brenngases und des oxidierenden Gases zu verhindern.
  • Da der spaltfüllende Abschnitt 7B den Spalt an der Elektrodenschicht 5D füllt, werden das Brenngas und das oxidierende Gas daran gehindert, eine Abkürzung zu nehmen, indem sie durch den Spalt treten, der durch einen Größenunterschied zwischen der Diffusionsschicht 5C und der Katalysatorschicht 5B gebildet wird. Durch Füllen des Spalts mit dem spaltfüllenden Abschnitt 7B werden das Brenngas und das oxidierende Gas daran gehindert, sich durch den Spalt zu bewegen.
  • Auf der Oberfläche jedes ringförmigen Abschnitts 7A der Dichtung 7 ist eine Rippe 7C ausgebildet, die sich entlang der Längsrichtung des ringförmigen Abschnitts erstreckt. Im zusammengesetzten Zustand der Zelle 10 wird diese Rippe 7C gepresst und durch die mit ihr in Kontakt tretenden Separatoren gequetscht. Da sich die Befestigungskraft der Zellen 10 auf den Abschnitt der Rippe 7C konzentriert, können die peripheren Abschnitte der entsprechenden Verteilerlöcher 12, 13, 14 und der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung besser gedichtet werden. Die Fluide, welche durch die entsprechenden Verteilerlöcher 12, 13 und 14 hindurchtreten, stehen unter hohem Druck, und durch die Anordnung der Rippe 7C ist die Dichtungseigenschaft der Dichtung 7 sichergestellt, so dass die Verteilerlöcher 12, 13 und 14 keine Leckage bilden.
  • Es soll angemerkt werden, dass eine Position D, wo die Rippe 7C gebildet wird, in der Nähe des Zentrums im Vergleich mit dem äußeren Ende C des Polymerelektrolyt-Films 5A angeordnet ist, der vom Rahmenelement 6 getragen wird. Durch Anordnen der Position der Rippe 7C näher am Zentrum wird die Presskraft an der Position, wo der Polymerelektrolyt-Film 5A ist, konzentriert, so dass das Brenngas oder das oxidierende Gas daran gehindert werden, eine Ab kürzung in Richtung der gegenüberliegenden Seitenfläche durch den Spalt zwischen dem Polymerelektrolyt-Film 5A und dem Rahmenelement 6 zu nehmen.
  • Wie oben beschrieben, entspricht der spaltfüllende Abschnitt 7B einem Abschnitt, der den Spalt zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht 5C und dem Polymerelektrolyt-Film 5A ausfüllt Der spaltfüllende Abschnitt 7B wird dadurch gebildet, dass geschmolzenes Harz in den Spalt eindringen kann, wenn die Dichtung 7 durch Verwendung eines Spritzguss-Verfahrens ausgeformt wird, wie später beschrieben wird. Aus diesem Grund wird, wie später beschrieben, die Vorsprungsweite des vorstehenden Abschnitts der Diffusionsschicht 5C vorzugsweise zu einem vorbestimmten Wert gewählt.
  • Ein Verfahren zum Herstellen der Film-Elektroden-Anordnung wird in der folgenden Beschreibung diskutiert. Für den Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung werden zunächst die Katalysatorschichten 5B in den jeweiligen zentralen Abschnitten auf den zwei Flächen eines Polymerelektrolyt-Films 5A gebildet, und eine Diffusionsschicht 5C wird jeweils darauf gebildet. In diesem Fall wird die Diffusionsschicht so geformt, dass sie von der peripheren Kante der Katalysatorschicht 5B vorsteht 5B ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, welche eine Struktur einer Elektrodenschicht des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung zeigt.
  • Die Katalysatorschicht 5B wird beispielsweise wie unten beschrieben gebildet. Platin wird in einem Gewichtsverhältnis 1:1 auf KETJEN BLACK EC (Hochofen-Schwarz (engt. Furnace black) hergestellt von KETJEN BLACK INTERNATIONAL Co.; spezifische Oberfläche 800 m2/g, DPB Öladsorption 360 ml/100 g) geträgert. Weiterhin werden zu 10 g dieses Katalysatorpulvers 35 g Wasser hinzugegeben und 59 g einer Alkohol-Dispersionslösung eines Wasserstoffionen-leitenden Polymerelektrolyts (9% FSS, hergestellt von Asahi Glass, Co., Ltd.) werden darin gemischt und unter Verwendung eines Ultraschall-Rührers dispergiert, um eine Katalysatorschicht-Tinte (engl. catalyst layer ink) vorzubereiten. Mit dieser Katalysatorschicht-Tinte wird jede der zwei Hauptflächen eines Polymerelektrolyt-Films 5A bis zu einer Dicke von 20 μm sprühbeschichtet, und dann einer Wärmebehandlung bei 115°C für 20 Minuten unterzogen, um die Katalysatorschicht 5B zu formen. Es soll hier angemerkt werden, dass das Sprühbeschichtungsverfahren so ausgeführt wird, dass der Polymerelektrolyt-Film mit einer Maske bedeckt ist, die eine Öffnung von 120 mm × 120 mm aufweist Derzeit wird ein Film aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure (DUPONT Nafion 117 (eingetragene Marke)) mit einer äußeren Ab messung von 140 mm im Quadrat und einer Dicke von 50 μm als Polymerelektrolyt-Film 5A verwendet.
  • Als nächstes wird eine Diffusionsschicht 5C auf der Katalysatorschicht 5B gebildet. Die Diffusionsschicht 5C wird mit einem porösen Material mit einer Anzahl von feinen Poren hergestellt. Dadurch, dass ein Brenngas oder ein oxidierendes Gas in die Poren eintreten kann, wird das Gas dispergiert, so dass es einfach die Katalysatorschicht 5B erreichen kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Kohlefaser-Gewebe über jede der zwei Hauptseiten des Polymerelektrolyt-Films 5A gelegt, der mit der Katalysatorschicht 5B bedeckt ist. Dann wird durch Heißpressen dieses Kohlefaser-Gewebes unter einem Druck von 0.5 MPa bei 135°C für 5 Minuten eine Dispersionsschicht in der Weise gebildet, dass sie mit jeder der beiden Hauptflächen des Polymerelektrolyt-Films verbunden wird.
  • Wie in 5B gezeigt, wird eine Vorsprungsweite A der Diffusionsschicht 5C vorzugsweise schmaler als die Dicke B der Diffusionsschicht 5C gewählt. Dadurch, dass die Vorsprungsweite A kleiner als die Dicke B der Diffusionsschicht 5C gewählt wird, wird es einfacher, ein thermoplastisches Elastomer zu spritzen, um die Dichtung 7 in einem Spalt 5F unter der Diffusionsschicht 5C in einem Formprozess der Dichtung zu bilden, welcher später beschrieben wird (siehe 6D); eine spaltfüllende Schicht 7B wird so einfach gebildet. Im Fall, dass die Vorsprungsweite A vergrößert wird, wird die Tiefe zum entferntesten Ende des Spalts 5F größer, wodurch es schwierig wird, das thermoplastische Elastomer bis zum entferntesten Ende des Spalts 5F zu spritzen. Der vorstehende Abschnitt der Diffusionsschicht kann durch den Spritzdruck des thermoplastischen Elastomers einfach in Richtung des Polymerelektrolyt-Films 5A gebogen werden, mit dem Ergebnis, dass der Spritzguss-Eingang des Spalts 5F für das thermoplastische Elastomer kleiner wird. Es wird folglich schwierig, die spaltfüllende Schicht 7B zu formen.
  • Wie in 5C gezeigt, kann der ringförmige Abschnitt 7A der Dichtung so geformt werden, dass ein Abschnitt auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 5C bedeckt ist. Dieser bedeckende Abschnitt 7D wird vorzugsweise nur auf dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht 5A gebildet.
  • Als nächstes wird ein Rahmenelement 6 auf dem peripheren Kantenabschnitt 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung gebildet. Die 6A und 6D sind Herstellungs-Prozessdiagramme, die schematisch jeden Her stellungsprozess der Film-Elektroden-Anordnung in einem Querschnitt entlang der Linie VI-VI in 3 und 4 zeigen.
  • Im ersten Prozess wird ein Formkörper, der einen Abschnitt des Rahmenelements bildet, hergestellt. Nachdem ein erstes Formwerkzeug T1 und ein zweites Formwerkzeug T2 miteinander gekoppelt wurden, wird, wie in 6A gezeigt, ein thermoplastisches Harz für den Formkörper 6C, d. h. für das Rahmenelement 6, in den Spalt zwischen der ersten Form T1 und der zweiten Form T2 durch einen Spritzprozess oder dergleichen gegossen, um den Formkörper 6C zu bilden. Der Formkörper 6C ist mit einem flachen Abschnitt 6C1 ausgestattet, an dem entlang der inneren Rahmenkante der periphere Kantenabschnitt 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung ausgebildet wird.
  • Die erste Form T1 ist so gestaltet, dass ein Rahmenelement-Abschnitt T1C eine Form des Formkörpers 6C haben soll, also eine Form entsprechend der Form der unteren Halbfläche des Rahmenelements 6. Im inneren Rahmenabschnitt der ersten Form T1 wird ein flacher Abschnitt T1B ausgebildet, der es erlaubt, den peripheren Kantenabschnitt 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung darauf anzuordnen. Der flache Abschnitt T1B hat eine Oberfläche, die sich von der inneren Kantenseite des Rahmenelement-Abschnitts T1C aus im Wesentlichen parallel zum Formkörper 6C, d. h., zu der Rahmenfläche S des Rahmenelements 6, erstreckt. Ein konkaver Abschnitt T1A, der den darauf anzuordnenden Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung auf seiner flachen Fläche aufnimmt, ist auf einem Bereich innerhalb des Rahmens der ersten Form T1 gebildet In anderen Worten weist der im inneren Rahmenbereich der ersten Form T1 mit der verlängerten Oberfläche des flachen Abschnitts T1B gebildete konkave Abschnitt T1A eine Fläche h auf, die sich um ca. einigen Millimeter weiter als die äußere Kante der Diffusionsschicht 5C erstreckt; und der untere Abschnitt bildet eine flache Fläche mit einer Tiefe, die ungefähr mit der Dicke der Katalysatorschicht 5B und der Diffusionsschicht 5C des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung übereinstimmt, basierend auf der Oberfläche des flachen Abschnitts T1B.
  • Die zweite Form T2 ist so gestaltet, dass der Rahmenelement-Abschnitt T2C den Formkörper 6C ausformt, d. h., die obere Halbfläche des Rahmenelements 6. Zu beachten ist, dass ein flacher Abschnitt T2B auf dem inneren Kantenbereich der zweiten Form T2 ausgebildet ist, um den peripheren Kantenabschnitt 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung darauf anordnen zu können. Der flache Abschnitt T2B hat eine Oberfläche, die mit der Oberfläche des flachen Abschnitts T1B der ersten Form T1 in Kontakt steht, und sich in Richtung der äußeren Rahmenkante über den Bereich des peripheren Kantenabschnitts 5E der Film-Elektroden-Anordnung 1 hinaus erstreckt.
  • Die Rahmenelement-Abschnitte T1C und T2C sind an den denjenigen Positionen, die die Installationspositionen der Dichtungen 7 umschließen, d. h. an den Verteilerlöchern 12, 13 und 14 und auch an der Innenseite des Rahmens im Rahmenelement 6, mit konvexen Abschnitten T1D, T2D ausgestattet. Auf den Querschnitten der konvexen Abschnitte T1 D und T2D ist jede Tiefe zu ca. 0,5 mm und jede Weite zu ca. 0,5 mm gewählt. Mit dieser Ausgestaltung wird der Vertiefungsabschnitt 6A auf dem Formkörper 6C ausgeformt, d. h. auf dem Rahmenelement 6. Es soll angemerkt werden, dass die Rahmenelement-Abschnitte T1C und T2C auch ohne die konvexen Abschnitte T1D und T2D gebildet werden können, und nachdem das Rahmenelement 6 gebildet wurde, kann ein Schneidprozess ausgeführt werden, um die Vertiefungsabschnitte 6A zu bilden.
  • Des weiteren haben die Rahmenelement-Abschnitte T1C und T2C entsprechende Formen, mit denen die Verteilerlöcher 12, 13 und 14 gebildet werden können. Die Verteilerlöcher 12, 13 und 14 können daher mit einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Es soll angemerkt werden, dass die Rahmenelement-Abschnitte T1C und T2C ohne die Formen der Verteilerlöcher 12, 13 und 14 gestaltet werden können, und die Verteilerlöcher 12, 13 und 14 können mithilfe eines Schneidprozesses oder Ausstanzprozesses auf dem Rahmenelement 6 hergestellt werden.
  • Als nächstes wird in einem zweiten Prozess die zweite Metallform T2 vom Formkörper 6C entfernt; und der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung wird auf einer Ebene innerhalb des Rahmens des Formkörpers 6C angeordnet, der an die erste Form T1 angepasst ist, wobei der periphere Kantenabschnitt 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung auf dem flachen Abschnitt 6C1 angeordnet ist. Insbesondere, wie in 6B gezeigt, werden diese Abschnitte so angeordnet, dass der Polymerelektrolyt-Film 5A mit dem Schutzfilm 5G bedeckt ist, der so angeordnet ist, dass er sich über die Peripherie 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung erstreckt, die auf dem flachen Abschnitt 6C1 des Formkörpers 6C angeordnet ist, und dass die Diffusionsschicht 5C auf dem konkaven Abschnitt T1A der ersten Form T1 angeordnet wird. Der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung ist daher in einem flachen Zustand angeordnet.
  • In einem dritten Prozess wird dann das Rahmenelement 6, mit dem der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung verbunden ist, hergestellt. Insbesondere wird, wie in 6C gezeigt, eine dritte Form T3 mit der ersten Form T1 gekoppelt, an die der Formkörper 6C mit dem Hauptkörper-Abschnitt 5 der darin angeordneten Film-Elektroden-Anordnung angepasst ist. In diesem Fall ist die dritte Form T3 auf dieselbe Weise wie bei der ersten Form mit einem konkaven Abschnitt T3A an einer Position ausgestattet, die mit der Diffusionsschicht 5C so interferiert, dass die Diffusionsschicht 5C nicht in Kontakt mit der dritten Form T3 tritt. In anderen Worten hat der konkave Abschnitt T3A dieselbe Form wie die des konkaven Abschnitts T1A. Da die dritte Metallform T3 und die Diffusionsschicht 5C daran gehindert werden, miteinander zu interferieren, wird es im dritten Prozess möglich, Schäden zu vermeiden, die im Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung auftreten.
  • Ein thermoplastisches Harz für das Rahmenelement 6 wird dann durch einen Spritzprozess oder dergleichen in einen Spalt zwischen der ersten Form T1 und der dritten Form T3, gegossen, d. h. ein Hauptkörper-Fixierabschnitt 6D der Film-Elektroden-Anordnung, so dass ein Rahmenelement 6 integral mit dem Formkörper 6C ausgeformt wird. Es ist anzumerken, dass die dritte Form T3 so gestaltet ist, dass ein Abschnitt des flachen Abschnitts 6C1 des Formkörpers 6C die Form der oberen Halbfläche des Rahmenelements 6 bildet. Das heißt, der Hauptkörper-Fixierabschnitt 6D der Film-Elektroden-Anordnung ist in einem Spalt angeordnet, der zwischen dem Rahmenelement-Abschnitt T3B der dritten Form T3 und dem Formkörper 6C gebildet wird. Der periphere Kantenabschnitt 5E des Hauptkörper-Abschnitts 5 der Film-Elektroden-Anordnung, der auf dem flachen Abschnitt 6C1 des Formkörpers 6C angeordnet ist, wird durch die Hitze des Harzmaterials, welches hier eingegossen wird, geschmolzen, und haftet im Spalt zwischen dem Hauptkörper-Fixierabschnitt 6D der Film-Elektroden-Anordnung und dem flachen Abschnitt 6C1 des Formkörpers 6C. Folglich ist der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung mit dem Rahmenelement 6 verbunden.
  • Im vierten Prozess wird eine Dichtung 7 auf dem Rahmenelement 6 geformt, mit dem der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung verbunden wurde, so dass eine Film-Elektroden-Anordnung 1 hergestellt wird. Wie in 6D gezeigt, wird das Rahmenelement 6, das mit dem Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung verbunden ist, von der ersten Form T1 und der dritten Form T3 entfernt und dann zwischen einer vierten Form T4 und einer fünften Form T5 angeordnet und die beiden Formen dann geschlossen. Ein thermoplastisches Harz oder ein thermoplastisches Elastomer für die Dichtung 7 wird in den Spalt zwischen der vierten Form T4 sowie der fünften Form T5 und dem Rahmenelement 6 mittels eines Spritzprozess oder dergleichen gegossen, so dass eine Dichtung auf jeder der beiden Flächen des Rahmenelements 6 gebildet wird. Die vierte Form T4 und die fünfte Form T5 sind so gestaltet, dass die ringförmigen Abschnitte der Dichtung ausgeformt werden können. Ein ringförmiger Abschnitt 7A der Dichtung 7 ist auf einem Spalt 40 zwischen der inneren Kante des Rahmenelements 6 und der Elektrodenschicht 5D angeordnet, die auf dem Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung gebildet wird, und beim Gießen des thermoplastischen Elastomers, das ein geschmolzenes Harz ist, in diesen Abschnitt wird dieser in den Spalt 5F zwischen der Diffusionsschicht 5C und dem Polymerelektrolyt-Film 5A gespritzt. Daher wird eine spaltfüllende Schicht 7B auf diesem Abschnitt gebildet.
  • Wie oben beschrieben, werden mit Ausnahme des zweiten Prozesses, in dem der Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung eingelegt wird, im Verfahren zum Herstellen der Film-Elektroden-Anordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung Ausform-Prozesse ausgeführt. Die Film-Elektroden-Anordnung wird daher in einer Ausform-Maschine hergestellt und im zweiten Prozess muss ein vorab hergestellter Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung in eine Ausform-Maschine gebracht und darin angeordnet werden, um das Herstellungsverfahren auszuführen. Daher ist das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für die Anwendung bei der Massenproduktion von Film-Elektroden-Anordnungen 1 mit hoher Effizienz in der Verwendung des Brenngases und des oxidierenden Gases geeignet.
  • Es soll angemerkt werden, dass bei Verwendung von Schiebeformen oder Drehformen das Verfahren vom ersten Prozess bis zum dritten Prozess kontinuierlich in einer einzigen Ausform-Maschine ausgeführt werden können. Diese Gestaltung ermöglicht es, die Prozesse weiter zu vereinfachen und folglich weiter die Massen-Produktivität der Film-Elektroden-Anordnung 1 zu verbessern.
  • Um die spaltfüllende Schicht 7B einfacher zu bilden, wird eine Modifikation der Elektrodenschicht 5D für den Hauptkörper-Abschnitt 5 der Film-Elektroden-Anordnung unten beschrieben. 7A ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Film-Elektroden-Anordnung gemäß dieser Modifikation zeigt. In der Modifikation ist die Diffusionsschicht 5C so gestaltet, dass ihre Randfläche 51 eine sich verjüngende Form aufweist. Durch Bilden der Randfläche der Diffusionsschicht 5C in einer sich verjüngenden Form weitet sich der Spritz guss-Eingang für das geschmolzene Harz in den Spalt 5F zwischen der Diffusionsschicht 5C und dem Polymerelektrolyt-Film 5A, so dass das geschmolzene Harz einfach in diesen Spalt gespritzt werden kann. Daher kann die spaltfüllende Schicht einfacher gebildet werden.
  • 7B ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Film-Elektroden-Anordnung gemäß einer anderen Modifikation zeigt. In dieser Modifikation sind die Positionen der Elektrodenschichten 5D so gestaltet, dass sie auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Polymerelektrolyt-Films 5A zueinander verschoben (engl. shifted) sind. Es soll hier angemerkt werden, dass auch in diesem Fall die Positionen der inneren Kanten der Rahmenelemente 6 auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche verändert sind, so dass die Weiten der peripheren Spalte 40 auf dem Hauptkörper-Abschnitt der Film-Elektroden-Anordnung zwischen der inneren Kante des Rahmenelements 6 und der Elektrodenschicht 5D auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche gleich sind. Durch die sich zwischen der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Polymerelektrolyt-Films 5A unterscheidenden Positionen der Elektrodenschichten 5D wird es möglich, die Positionen, an denen Druck auf den Polymerelektrolyt-Film 5A aufgebracht wird, zueinander zu verschieben; selbst wenn der Spritzdruck des geschmolzenen Harzes beim Ausformen der Dichtung 7 erhöht wird, können dem Polymerelektrolyt-Film 5A zugefügte Schäden reduziert werden, wodurch die Ausbeute verbessert wird.
  • Es soll angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und diese auf verschiedene Weise modifiziert werden können.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Flüsse eines Brenngases und eines oxidierenden Gases auf einer peripheren Kante eines Hauptkörper-Abschnitts einer Film-Elektroden-Anordnung im zusammengesetzten Zustand einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu blockieren und folglich die Effizienz in der Verwendung des Brenngases und des oxidierenden Gases zu erhöhen; daher kann die resultierende Brennstoffzelle effektiv als eine Brennstoffzelle für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem (engl. cogeneration system) und für ein elektrisches Fahrzeug verwendet werden.
  • Es soll angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und diese auf verschiedene Weise modifiziert werden können.
  • Weiterhin wird es möglich, die entsprechenden Effekte durch geeignetes Kombinieren einiger der Ausführungsbeispiele unter den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zu erhalten.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung voll in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben wurde, soll angemerkt werden, dass einige Veränderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind. Diese Veränderungen und Modifikationen sind als im Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen zu verstehen, die von den anhängenden Ansprüchen definiert wird, es sei denn, sie gehen über diese Ansprüche hinaus.

Claims (9)

  1. Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10), umfassend: einen Hauptkörper-Abschnitt (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) mit einem Polymerelektrolyt-Film (5A) und einem Paar von Elektrodenschichten (5D), wobei jedes Paar der Elektrodenschichten (5D) in einem zentralen Bereich innerhalb eines peripheres Kantenabschnitts (5E) jeder der zwei Oberflächen des Polymerelektrolyt-Films (5A) angeordnet ist, und jedes Paar der Elektrodenschichten (5D) eine Katalysatorschicht (5B) und eine laminierte Diffusionsschicht (5C) aufweist, wobei die Diffusionsschicht (5C) eine Fläche besitzt, die größer ist als die Katalysatorschicht (5B), und wobei die Diffusionsschicht (5C) eine peripheren Kante aufweist, die von der Katalysatorschicht (5B) hervorsteht, wobei ein Spalt (5F) zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht (5C) und dem peripheren Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) gebildet wird; ein Rahmenelement (6), in welches der periphere Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) mit einem Spalt (40) zu den gepaarten Elektrodenschichten (5D) eingeschoben ist, und welches aus einem plattenförmigen thermoplastischen Harz in der Weise hergestellt ist, dass es eine periphere Kante (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) umgibt; und eine Dichtung (7), die auf jeder der zwei Flächen des Rahmenelements (6) angeordnet ist, wobei die Dichtung (7) aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist und einen ringförmigen Abschnitt (7A), der entlang einer inneren Kante des Rahmenelements (6) angeordnet ist und den Spalt (40) an der inneren Kante des Rahmenelements (6) bedeckt, wobei eine Rippe (7C) auf dem ringförmigen Abschnitt (7A) gebildet wird und sich entlang der inneren Kante des Rahmenelements (6) erstreckt, und einen spaltfüllenden Abschnitt (7B) zum Füllen des Spaltes (5F) zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht (5C) und dem peripheren Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) umfasst
  2. Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei sich die Position D, an welcher auf dem ringförmigen Abschnitt (7A) der Dichtung (7) die gestreckte Rippe (7C) entlang der inneren Kante des Rahmenelements (6) gebildet wird, innerhalb des äußeren peripheren Rands (C) des in das Rahmenelement (6) eingeschobenen Polymerelektrolyt-Films (5A) befindet.
  3. Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei der gegenüber der Katalysatorschicht (5B) vorstehende Abschnitt der Diffusionsschicht (5C) eine Vorsprungsweite A aufweist, die kleiner als die Dickenausdehnung B der Diffusionsschicht (5C) ist.
  4. Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei in der Diffusionsschicht (5C) eine Randfläche (51) des gegenüber der Katalysatorschicht (5B) vorstehenden Abschnitts mit einer sich verjüngenden Form ausgebildet ist.
  5. Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschichten (5D), die jeweils auf den zwei Oberflächen des Polymerelektrolyt-Films (5A) gebildet sind, in Positionen angeordnet sind, die auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche voneinander verschoben sind, wobei die Positionen der Spalte (40) in Richtung der vorderen Oberfläche und in Richtung der hinteren Oberfläche unterschiedlich sind.
  6. Film-Elektroden-Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Rahmenelement (6) ein Paar von Verteilerlöchern (12, 13) zum entsprechenden Zuführen eines Brenngases und eines oxidierenden Gases zum Hauptkörper-Abschnitt (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) umfasst, wobei die ringförmigen Abschnitte (7A) der Dichtung (7) auf den peripheren Abschnitten des Paares der Verteilerlöcher (12, 13) angeordnet sind.
  7. Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (10) umfassend: eine Film-Elektroden-Anordnung (1) nach Anspruch 1; und einen Anoden-Separatur (2) und einen Kathoden-Separatur (3), die jeweils so angeordnet sind, dass die Film-Elektroden-Anordnung (1) dazwischen eingeschoben ist wobei der Anoden-Separatur (2) und der Kathoden-Separatur (3) so geformt sind, dass Abschnitte (25, 35) der Separatoren (2, 3), die in Kontakt mit den ringförmigen Abschnitten (7A) der Dichtungen (7) stehen, die auf der Peripherie des Hauptkörper-Abschnitts (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) gebildet sind, in denselben Formen ausgebildet sind wie die äußeren Formen der Oberflächen (71) der ringförmigen Abschnitte (7A) der Dichtungen (7), und dass kein Spalt zwischen den ringförmigen Abschnitten (7A) der Dichtungen (7) und den mit den ringförmigen Abschnitten (7A) der Dichtungen (7) in Kontakt stehenden Abschnitten (25, 35) der Separatoren (2, 3) gebildet wird.
  8. Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (100) umfassend mehr als eine laminierte Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 7.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Film-Elektroden-Anordnung (1) umfassend: Herstellen von Katalysatorschichten (5B) auf zwei Oberflächen eines Polymerelektrolyt-Films (5A) innerhalb von einem peripheren Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt–Films (5A), und Herstellen eines Hauptkörper-Abschnitts (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) durch Anordnen einer Diffusionsschicht (5C) auf jeder der Oberflächen der Katalysatorschicht (5B) in einem laminierten Zustand, wobei die Diffusionsschicht (5C) eine Fläche besitzt, die größer ist als die Katalysatorschicht (5B), und wobei die Diffusionsschicht (5C) eine periphere Kante aufweist, die von der Katalysatorschicht vorsteht, mit einem Spalt (5F), der zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht und dem peripheren Kantenabschnitt (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) gebildet wird; Herstellen eines Formkörpers (6C) mit einer Rahmenform mit einem flachen Abschnitt (6C1), der auf einer inneren Rahmenkante durch Gießen eines thermoplastischen Harzes zwischen eine erste (T1) und eine zweite Form (T2) gebildet wird; Verbinden einer dritten Form (T3) mit der ersten Form (T1), an welche der Formkörper (6C) angepasst ist, wobei der Formkörper (6C) den Hauptkörper-Abschnitt (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) innerhalb des Rahmens des Formkörpers (6C) hat, so dass der periphere Kantenabschnitt (5E) des Hauptkörper-Abschnitts (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) auf dem flachen Abschnitt (6C1) angeordnet ist, und Gießen eines thermoplastischen Harzes zwischen die erste Form (T1) und die dritte Form (T3), um ein Rahmenelement (6) auszuformen, mit dem der Hauptkörper-Abschnitt (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) verbunden wird; Verbinden einer vierten Form (T4) und einer fünften Form (T5) miteinander, während das mit dem Hauptkörper-Abschnitt (5) der Film-Elektroden-Anordnung (1) verbundene Rahmenelement (6) dazwischengeschoben wird, und Gießen eines geschmolzenen Harzes zwischen der vierten Form (T4) und der fünften Form (T5), um eine Dichtung (7) auszuformen, wobei die Dichtung (7) einen ringförmigen Abschnitt (7A), der entlang der inneren Kante des Rahmenelements (6) angeordnet ist und das Rahmenelement (6) von der inneren Kante des Rahmenelements (6) zu der äußeren Kante der Diffusionsschicht (5C) bedeckt, eine Rippe (7C), die auf dem ringförmigen Abschnitt (7A) angeordnet ist und sich entlang der inneren Kante des Rahmenelements (6) erstreckt und einen spaltfüllenden Abschnitt (7B) zum Fällen des Spaltes (5F) zwischen dem vorstehenden Abschnitt der Diffusionsschicht (5C) und des peripheren Kantenabschnitts (5E) des Polymerelektrolyt-Films (5A) umfasst.
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