DE112007001059B4

DE112007001059B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007001059B4
Application number: DE112007001059.2T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Tanaka; Seiji Sugiura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2007-05-01
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2027-05-02
Also published as: CA2651007C; US8475972B2; CA2763084C; CA2651007A1; CN102569845A; WO2007129642A1; CA2763084A1; DE112007001059T5; US20090075134A1; CN101438440A; US8999596B2; US20130337358A1; CN101438440B; CN102569845B

Abstract

Brennstoffzelle, die eine Elektrolytelektrodenanordnung (20a) sowie erste und zweite Separatoren (22, 24), die die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen sich aufnehmen, aufweist, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) eine erste Elektrode (32a), eine zweite Elektrode (34a) und einen zwischen der ersten Elektrode (32a) und der zweiten Elektrode (34a) eingefügten Elektrolyten (30a) enthält, wobei die zweite Elektrode (34a) eine Oberflächenausdehnung hat, die kleiner ist als jene der ersten Elektrode (32a), wobei der erste Separator (22) zu der ersten Elektrode (32a) weist, wobei der zweite Separator (24) Außendimensionen hat, die sich von jenen des ersten Separators (22) unterscheiden, und zu der zweiten Elektrode (34a) weist,
wobei ein erstes Dichtungselement (62a), ein zweites Dichtungselement (62b) und ein drittes Dichtungselement (62c) integral auf einer Oberfläche des zweiten Separators (24) oder auf einer Oberfläche des ersten Separators (22) ausgebildet sind;
wobei das erste Dichtungselement (62a) den Elektrolyten (30a) am Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung (20a) kontaktiert;
wobei das zweite Dichtungselement (62b) ein Außenende des ersten Separators (22) oder des zweiten Separators (24) kontaktiert; und
ein drittes Dichtungselement (62c) ein Außenende des benachbarten zweiten Separators (24) oder ein Außenende des benachbarten ersten Separators (22) kontaktiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytelektrodenanordnung sowie erste und zweite Separatoren enthält, die die Elektrolytelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnung enthält Elektroden sowie einen zwischen die Elektroden eingefügten Elektrolyt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Zum Beispiel verwendet eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Festpolymerelektrolytmembran. Die Festpolymerelektrolytmembran ist eine Polymerionenaustauschermembran. In der Brennstoffzelle ist die Festpolymerelektrolytmembran zwischen eine Anode und eine Kathode eingefügt, die jeweils eine Elektrodenkatalysatorschicht sowie porösen Kohlenstoff aufweisen, um eine Membranelektrodenanordnung zu bilden (Elektrolytelektrodenanordnung). Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen Separatoren (bipolare Platten) eingefügt, um eine Zelleneinheit zu bilden. Im Gebrauch sind normalerweise eine vorbestimmte Anzahl von Zelleneinheiten aufeinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Allgemein verwendet die Brennstoffzelle eine sogenannte interne Verteilerstruktur, wo Zufuhrdurchgänge und Abführdurchgänge sich durch die Separatoren in der Stapelrichtung hindurcherstrecken. Das Brenngas, das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel werden von den jeweiligen Zufuhrdurchgängen einem Brenngasfließfeld, einem Sauerstoffhaltiges-Fließfeld und einem Kühlmittel-Fließfeld zugeführt und dann zu den jeweiligen Abführdurchgängen abgeführt.
Daher ist es in der Brennstoffzelle notwendig, eine Leckage des Brenngases, des sauerstoffhaltigen Gases und des Kühlmittels einzeln zu vermeiden. Hierzu ist z. B. eine Brennstoffzelle bekannt, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2002-270202 A offenbart ist. In dem Brennstoffzellenstapel, wie in 45 gezeigt, sind Brennstoffzellen 1001 aufeinander gestapelt, und jede der Brennstoffzellen 1001 ist gebildet, indem eine Elektrodenanordnung 1002 zwischen einen ersten Separator 1003 und einen zweiten Separator 1004 eingefügt ist.
Die Elektrodenanordnung 1002 enthält eine Anode 1002b, eine Kathode 1002c sowie eine Elektrolytmembran 1002a, die zwischen die Anode 1002b und die Kathode 1002 eingefügt ist. Die Oberflächenausdehnung der Kathode 1002c ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Anode 1002b. Der erste Separator 1003 und der zweite Separator 1004 sind durch ein äußeres Dichtungselement 1005a hermetisch abgedichtet, und ein Zwischenraum zwischen dem zweiten Separator 1004 und dem Außenende der Elektrodenanordnung 1002 ist durch ein inneres Dichtungselement 1005b hermetisch abgedichtet. Ferner ist ein Dichtungselement 1005c zwischen den Brennstoffzellen 1001 vorgesehen.
Wie in 46 gezeigt, sind in der Brennstoffzelle, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2002-270202 A offenbart ist, ein Brenngaseinlass 1007a, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 1008a und ein Kühlmitteleinlass 1009a an einem Längsrichtungsende von ersten und zweiten Separatoren 1003, 1004 ausgebildet, und ein Brenngasauslass 1007b, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslass 1008b und ein Kühlmittelauslass 1009b sind am anderen Längsrichtungsende der ersten und zweiten Separatoren 1003, 1004 in ausgebildet.
In der Brennstoffzelle 1001 sind die Dimensionen der ersten und zweiten Separatoren 1003, 1004 relativ groß im Vergleich zu den Außendimensionen der Elektrodenanordnung 1002. Im Falle der Anwendung einer Struktur, wo mehrere Hundert der Brennstoffzellen 1001 zusammengestapelt und als Brennstoffzellenstapel bei einer Fahrzeuganwendung benutzt werden, kann die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Brennstoffzellenstapels ungewünscht groß werden.
Ferner sind in der Brennstoffzelle 1001 ein äußeres Dichtungselement 1005 und ein inneres Dichtungselement 1006 mit gewünschten Formen vorgeformt, und werden das äußere Dichtungselement 1005 und das innere Dichtungselement 1006 z. B. von dem zweiten Separator 1004 gehalten. Somit kann der Herstellungsprozess der Brennstoffzelle 1001 und der Montagevorgang der Brennstoffzelle 1001 ungewünscht kompliziert werden.
Ferner ist in einer Brennstoffzelle, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2002-025587 A offenbart ist, wie in 47 gezeigt, eine Brennstoffeinheitszelle 1101 zwischen einem ersten Separator 1102 und einem zweiten Separator 1103 eingefügt. Die Brennstoffeinheitszelle 1101 ist ausgebildet, indem eine Festpolymerelektrolytmembran 1104 zwischen einer Kathode 1105 und einer Anode 1106 eingefügt wird. Die Kathode 1105 und die Anode 1106 enthalten Gasdiffusionsschichten 1105a, 1106a.
Die Festpolymerelektrolytmembrane 1104 steht von Innenumfängen der Kathode 1105 und der Anode 1106 vor. Die Oberflächenausdehnung der Kathode 1105 ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Anode 1106.
Eine erste Dichtung 1107a und eine zweite Dichtung 1107b sind zwischen dem ersten Separator 1102 und dem zweiten Separator 1103 angebracht. Die erste Dichtung 1107a steht in engem Kontakt mit der Festpolymerelektrolytmembrane 1104, und die erste Dichtung 1107a ist um die Kathode 1105 herum vorgesehen. Die zweite Dichtung 1107b ist um die Anode 1106 und um die erste Dichtung 1107a herum vorgesehen. Somit wird eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases durch die erste Dichtung 1107a verhindert und wird eine Leckage des Brenngases von der zweiten Dichtung 1107b verhindert. In der Struktur sind die erste Dichtung 1107a und die zweite Dichtung 1107b an Positionen vorgesehen, die in Bezug auf die Stapelrichtung der Brennstoffzelle seitlich verlagert sind. Daher wird eine Reduktion der Gesamtdicke der Brennstoffzelle in der Stapelrichtung erreicht.
Im Falle der Brennstoffeinheitszelle 1101 wird beim Stapeln einer Mehrzahl der Brennstoffeinheitszellen 1101 ein Kühlmittelfließfeld zwischen jeder Brennstoffeinheitszelle 1101 entlang der Elektrodenoberfläche ausgebildet, um die Brennstoffeinheitszelle 1101 zu kühlen. Daher muss zwischen jeder Brennstoffeinheitszelle 1101 ein Dichtungselement vorgesehen sein, um eine Leckage des Kühlmittels zu verhindern. Beim Vorhandensein des Dichtungselements besteht die Tendenz, dass die Brennstoffeinheitszellen 1101 mit Abstand voneinander angeordnet werden, und daher eine Reduktion der Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels nicht erzielt werden könnte.
In einer Prozesssteuereinrichtung, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 06-218275 A offenbart ist, wie in 48 gezeigt, sind Stapelplatten, die jeweils durch Überlappung zweier zueinander paralleler Platten gebildet sind, und Einheiten 1202 abwechselnd gestapelt. Die Einheit 1202 ist gebildet, indem eine MEA 1202a zwischen einer Anode 1202b und einer Kathode 1202c eingefügt wird, und durch Einfügen dieser Komponenten zwischen einem Paar von Kontaktplatten 1202d.
Eine erste Kammer 1203a ist zwischen der Platte 1201a und der Einheit 1202 ausgebildet, eine zweite Kammer 1203b ist zwischen der Platte 1201b und der Einheit 1202 ausgebildet, und eine dritte Kammer 1203c ist zwischen den Platten 1201a, 1201b gebildet. Ein Durchgang 1205 erstreckt sich durch Enden der Platten 1201a, 1201b durch Dichtungen 1204 hindurch.
Der Durchgang 1205 ist z. B. mit der zweiten Kammer 1203b durch ein Fließfeld 1206 zwischen den Platten 1201a, 1201b verbunden. Obwohl nicht gezeigt, erstrecken zwei andere Durchgänge in der Stapelrichtung, und die zwei anderen Durchgänge sind mit der ersten Kammer 1203a und der dritten Kammer 1203c jeweils durch Fließfelder (nicht gezeigt) zwischen den Platten 1201a, 1201b verbunden.
Jedoch muss in der Prozesssteuervorrichtung das Fließfeld 1206 zum Verbinden des sich in der Stapelrichtung erstreckenden Durchgangs 1205 mit dem zweiten Element 1203b eine ausreichende Fließfeldhöhe in der Stapelrichtung haben, und eine ausreichende Dichtungshöhe durch die Dichtung 1204, damit ausreichend Fluid dort hindurchfließt. Somit wird der Zwischenraum zwischen den Einheiten 1202 ziemlich groß, und die Reduktion in der Gesamtgröße der Brennstoffzelle kann nicht erreicht werden.
Insbesondere ist ein in einem Fahrzeug angebrachter Brennstoffzellenstapel gebildet, indem eine große Anzahl von z. B. einigen Hundert Brennstoffzellen gestapelt ist. Daher wird der Zwischenraum zwischen den Brennstoffzellen groß, und die Reduktion der Gesamtgröße der Brennstoffzelle kann nicht erreicht werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die es möglich macht, insbesondere den Dichtungsformungsvorgang wirtschaftlich und effizient durchzuführen, während die Leistungsfähigkeit darin, eine Leckage von Reaktionsgasen zu verhindern, effizient verbessert wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die es möglich macht, das Gesamtgewicht und die Gesamtgröße der Brennstoffzelle geeignet zu reduzieren, insbesondere dann, wenn eine größere Anzahl von Komponenten zur Bildung der Brennstoffzelle gestapelt wird.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die es möglich macht, die Struktur der Brennstoffzelle zu vereinfachen, und insbesondere den Dichtungsformungsvorgang wirtschaftlich und effizient durchzufuhren.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die es möglich macht, eine Leckage von Brenngas, sauerstoffhaltigem Gas und Kühlmittel geeignet zu verhindern, und die Dicke in der Stapelrichtung so weit wie möglich zu reduzieren.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle anzugeben, in der Reaktionsgase zwischen sich in der Stapelrichtung sich erstreckenden Reaktionsgasdurchgängen und sich entlang den Elektrodenoberflächen erstreckenden Reaktionsgasfließfeldern geeignet fließen, und die es möglich macht, die Dicke in der Stapelrichtung zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytelektrodenanordnung und erste und zweite Separatoren enthält, die die Elektrolytelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnung enthält eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen Elektrolyten, der zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode eingefügt ist. Die zweite Elektrode hat eine Oberflächenausdehnung, die kleiner ist als jene der ersten Elektrode.
Der erste Separator weist zur ersten Elektrode, der zweite Separator hat Außendimensionen, die sich von jenen des ersten Separators unterscheiden, und weist zu der zweiten Elektrode. Ein erstes Dichtungselement, ein zweites Dichtungselement und ein drittes Dichtungselement sind integral auf einer Oberfläche des zweiten Separators oder auf einer Oberfläche des ersten Separators ausgebildet. Das erste Dichtungselement kontaktiert den Elektrolyten am Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung. Das zweite Dichtungselement kontaktiert ein Außenende des ersten Separators und des zweiten Separators. Ein drittes Dichtungselement kontaktiert ein Außenende des benachbarten zweiten Separators oder ein Außenende des benachbarten ersten Separators.
Ferner sind in einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Außendimensionen des ersten Separators kleiner als jene des zweiten Separators, und Fluiddurchgänge, die zumindest einen Brenngaszufuhrdurchgang, einen Brenngasabführdurchgang, einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang, einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang enthält, erstrecken sich durch ein Außenende des zweiten Separators in der Stapelrichtung an Positionen außerhalb des Außenendes des ersten Separators.
Ferner sind in einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Außendimensionen des zweiten Metallseparators größer als jene des ersten Metallseparators, wobei das Metall des ersten Metallseparators über die Gesamtoberfläche freiliegt und ein Dichtungselement integral nur an dem zweiten Metallseparator ausgebildet ist.
Das Dichtungselement ist auf einer zur Elektrode weisenden Oberfläche des zweiten Metallseparators ausgebildet. Das Dichtungselement enthält eine innere Dichtung, die ein Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung kontaktiert, sowie eine äußere Dichtung, die ein Außenende des benachbarten zweiten Metallelements kontaktiert.
Ferner enthält, in einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, zumindest der erste Separator oder der zweite Separator eine erste Dichtung zum Verhindern einer Leckage des Brenngases, eine zweite Dichtung zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases sowie eine dritte Dichtung zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels. Die erste Dichtung, die zweite Dichtung und dritte Dichtung sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt.
Ferner hat in einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Elektrolytelektrodenanordnung einen ungleichmäßigen Abschnitt in derselben Ebene wie die Elektrodenoberfläche, und der ungleichmäßige Abschnitt bildet einen Verbindungskanal, der das Reaktionsgasfließfeld mit dem Reaktionsgasdurchgang verbindet. Ungleichmäßige Abschnitte von benachbarten Elektrolytelektrodenanordnungen in der Stapelrichtung sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt.
Ferner hat in einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die erste Elektrolytelektrodenanordnung einen ersten ungleichmäßigen Abschnitt in derselben Ebene wie die Elektrodenoberfläche, und der erste ungleichmäßige Abschnitt bildet einen ersten Verbindungskanal, der das Reaktionsgasfließfeld zum Zufuhren des Reaktionsgases entlang der Elektrodenoberfläche mit dem Reaktionsgasdurchgang verbindet. Die zweite Eletkrolytelektrodenanordnung hat einen zweiten ungleichmäßigen Abschnitt in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche, und der zweite ungleichmäßige Abschnitt bildet einen zweiten Verbindungskanal, der das Reaktionsgasfließfeld zum Zufuhren des Reaktionsgases entlang der Elektrodenoberfläche mit dem Reaktionsgasdurchgang verbindet. Der erste ungleichmäßige Abschnitt und der zweite ungleichmäßige Abschnitt sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt.
In der vorliegenden Erfindung sind das erste Dichtungselement, das zweite Dichtungselement und das dritte Dichtungselement integral an einer Oberfläche des zweiten Separators oder an einer Oberfläche des zweiten Separators ausgebildet. Somit wird der Dichtungsformungsprozess signifikant vereinfacht und wird wirtschaftlich ausgeführt. Ferner wird durch die Verwendung einer dreifachen Dichtungsstruktur, welche die ersten bis dritten Dichtungselemente einschließt, eine Verbesserung in der Reaktionsgas-Abdichtungsleistung geeignet erzielt, und eine Leckage des Reaktionsgases wird so weit wie möglich verhindert.
Ferner sind die Außendimensionen eines der ersten und zweiten Separatoren relativ klein im Vergleich zu den Außendimensionen des anderen der ersten und zweiten Separatoren. Somit wird die erforderliche Steifigkeit während der Stapelung der Brennstoffzellen und die Steifigkeit der Elektrodenoberfläche, die für den Zusammenbau der Brennstoffzellen erforderlich ist, eingehalten. Ferner wird die Gewichtsreduktion der Brennstoffzelle erreicht, und das Gesamtgewicht des Brennstoffzellenstapels wird reduziert.
Ferner sind in der vorliegenden Erfindung die Außendimensionen des ersten Separators kleiner als die Außendimensionen des zweiten Separators. Die Fluiddurchgänge durchsetzen nur den zweiten Separator. Somit wird die Größe des ersten Separators so weit wie möglich reduziert, und eine Gewichtsreduktion ist leicht erzielbar. Daher werden insbesondere während des Stapelns einer großen Anzahl von Brennstoffzellen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Brennstoffzellenstapels beträchtlich reduziert.
Ferner sind in der vorliegenden Erfindung die Dichtungselemente integral mit dem zweiten Metallseparator ausgebildet. Somit wird die Dichtungsstruktur signifikant vereinfacht. Im Vergleich zu der Struktur, in der die Dichtungselemente mit einer gewünschten Form vorab ausgebildet sind, wird die Montageeigenschaft der Brennstoffzelle geeignet verbessert. Dies ist so, weil der Vorgang des Positionierens der Dichtungselemente relativ zu dem zweiten Dichtungselement während der Montage der Brennstoffzelle nicht erforderlich ist.
Ferner ist der Vorgang zur Formung der Dichtungselemente für den ersten Metallseparator nicht erforderlich, und der Vorgang zum Form der Dichtungselemente ist nur für den zweiten Metallseparator erforderlich. Daher wird der Dichtungsformungsvorgang wirtschaftlich und effizient durchgeführt. Eine Reduktion der Gesamtkosten zur Herstellung der Brennstoffzelle ist leicht zu erreichen.
Ferner überlappen in der vorliegenden Erfindung die erste Dichtung zur Verhinderung einer Leckage des Brenngases, die zweite Dichtung zur Verhinderung einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases und die dritte Dichtung zur Verhinderung einer Leckage des Kühlmittels in der Stapelrichtung nicht miteinander. Daher wird die ausreichende Dichtungshöhe für jede der ersten Dichtung, der zweiten Dichtung und der dritten Dichtung erreicht, und es ist möglich, eine Leckage des Brenngases, des sauerstoffhaltigen Gases und des Kühlmittels geeignet zu verhindern und die Dicke in der Stapelrichtung zu reduzieren. Dementsprechend wird die Gesamtgröße der Brennstoffzelle leicht und zuverlässig reduziert.
Ferner sind in der vorliegenden Erfindung die ungleichmäßigen Abschnitte, die in den Elektrolytelektrodenanordnungen in der Stapelrichtung einander benachbart vorgesehen sind, in der Stapelrichtung voneinander versetzt. Daher überlappen die benachbarten Kanäle in der Stapelrichtung nicht miteinander. Somit wird es möglich, die Dicke in der Stapelrichtung jeder Einheitszelle zu reduzieren, während die Fließfeldhöhe und die Dichtungshöhe in dem Kanal, der das Reaktionsgasfließfeld und die Reaktionsgasdurchgänge verbindet, ausreichend bleibt. Dementsprechend wird die Gesamtgröße der Brennstoffzelle leicht reduziert, und insbesondere wird die Größe des in dem Fahrzeug montierten Brennstoffzellenstapels geeignet reduziert.
Ferner sind in der vorliegenden Erfindung die erste Elektrolytelektrodenanordnung und die zweite Elektrolytelektrodenanordnung in der Stapelrichtung einander benachbart, und der erste ungleichmäßige Abschnitt der ersten Elektrolytelektrodenanordnung und der zweite ungleichmäßige Abschnitt der zweiten Elektrolytelektrodenanordnung sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt. Daher überlappen der benachbarte erste Kanal und zweite Kanal in der Stapelrichtung einander nicht. Somit wird es möglich, die Dicke der ersten Einheitszelle und der zweiten Einheitszelle in der Stapelrichtung zu reduzieren, während die Fließfeldhöhe und die Dichtungshöhe in dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal, die das Reaktionsgasfließfeld mit den Reaktionsgasdurchgängen verbindet, ausreichend bleibt. Dementsprechend wird die Gesamtgröße der Brennstoffzelle leicht reduziert, und insbesondere wird die Größe des im Fahrzeug montierten Brennstoffzellenstapels geeignet reduziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einre ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die die Brennstoffzelle zeigt.
3 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Einheitszellen der Brennstoffzelle zeigt.
4 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines ersten Metallseparators zeigt.
5 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators zeigt.
6 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche des zweiten Metallseparators zeigt.
7 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines vierten Metallseparators zeigt.
8 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche des vierten Metallseparators zeigt.
9 ist eine Ansicht, die einen Fluss eines sauerstoffhaltigen Gases in der Brennstoffzelle zeigt.
10 ist eine Ansicht, die einen anderen Fluss des sauerstoffhaltigen Gases in der Brennstoffzelle zeigt.
11 ist eine Ansicht, die einen Fluss eines Brenngases in der Brennstoffzelle zeigt.
12 ist eine Ansicht, die einen anderen Fluss des Brenngases in der Brennstoffzelle zeigt.
13 ist eine Ansicht, die einen Fluss von Kühlmittel in der Brennstoffzelle zeigt.
14 ist eine Ansicht, die einen anderen Fluss des Kühlmittels in der Brennstoffzelle zeigt.
15 ist eine Teilquerschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist eine Teilquerschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist eine Explosionsperspektivansicht, die die Brennstoffzelle zeigt.
19 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators der Brennstoffzelle zeigt.
20 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
21 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
22 ist eine Explosionsperspektivansicht, die die Brennstoffzelle zeigt.
23 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines ersten Metallseparators der Brennstoffzelle zeigt.
24 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche des ersten Metallseparators zeigt.
25 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators der Brennstoffzelle zeigt.
26 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
27 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
28 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer neunten Ausführung der vorlegenden Erfindung zeigt.
29 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer zehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
30 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer elften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
31 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer zwölften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
32 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle zeigt.
33 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators der Einheitszelle zeigt.
34 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer dreizehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
35 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle zeigt.
36 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Metallseparator der Einheitszelle zeigt.
37 istt eine Ansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators der Einheitszelle zeigt.
38 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer vierzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
39 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle zeigt.
40 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer fünfzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
41 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle zeigt.
42 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brenntstoffzelle gemäß einer sechzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
43 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle zeigt.
44 ist eine Querschnittsansicht, die einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer siebzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
45 ist eine Ansicht, die einen herkömmlichen Brennstoffzellenstapel zeigt.
46 ist eine Ansicht, die die Brennstoffzelle zeigt.
47 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche Brennstoffzelle zeigt.
48 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche Prozesssteuervorrichtung zeigt.
BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine Perspektivansicht, die schematisch eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die die Brennstoffzelle 10 zeigt.
Die Brennstoffzelle 10 enthält einen Stapelkörper 14, der durch abwechselndes Stapeln von Einheitszellen 12a, 12b in einer mit einem Pfeil A angegebenen horizontalen Richtung gebildet ist. Endplatten 16a, 16b sind an in der Stapelrichtung entgegengesetzten Enden des Stapelkörpers 14 vorgesehen. Obwohl in der Ausführung die Komponenten zwischen den Endplatten 16a, 16b durch Zugstangen (nicht gezeigt) dicht zusammengezogen sind, kann z. B. der gesamte Stapelkörper 14 auch in einem Gehäuse (nicht gezeigt) angeordnet werden.
Die Einheitszelle 12a wird gebildet, indem eine erste Membranelektrodenanordnung (Elektrolytelektrodenanordnung) 20a zwischen einem ersten Metallseparator 22 und einem zweiten Metallseparator 24 eingefügt wird. Die Einheitszelle 12b wird gebildet, indem eine zweite Membranelektrodenanordnung 20b zwischen einem dritten Metallseparator 26 und einem vierten Metallseparator 28 eingefügt wird. Die Einheitszellen 12a, 12b sind auf einer Ebene der Einheitszellen 12a, 12b mit einem Winkel von 180° entgegengesetzt orientiert. In der Praxis ist die zweite Membranelektrodenanordnung 20b die gleiche wie die erste Membranelektrodenanordnung 20a, der dritte Metallseparator 26 ist der gleiche wie der erste Metallseparator 22, und der vierte Metallseparator 28 ist der gleiche wie der zweite Metallseparator 24.
Wie in 3 gezeigt, umfasst die erste Membranelektrodenanordnung 20a eine Kathode (erste Elektrode) 32a, eine Anode (zweite Elektrode) 34a sowie eine Festpolymerelektrolytmembrane (Elektrolyten) 30a, die zwischen der Kathode 32a und der Anode 34a eingefügt ist. Die Festpolymerelektrolytmembran 30a wird gebildet, indem eine dünne Membran aus Perfluodsulfonsäure z. B. mit Wasser imprägniert wird. Die Oberflächenausdehnung der Kathode 32a ist größer als die Oberflächenausdehnung der Anode 34a. Die Kathode 32a ist über die Gesamtoberfläche der Festpolymerelektrolytmembrane 30a hinweg ausgebildet (als gestufte MEA bezeichnet).
Die Kathode 32a und die Anode 34a haben jeweils eine Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt), wie etwa Kohlepapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht gezeigt) aus Platinlegierung, die auf Oberflächen der porösen Kohlenstoffpartikel getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind über die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig aufgelagert. Die Kathode 32a und die Anode 34 haben jeweils eine Fläche (Katalysatorfläche) 36a zum Aufbringen eines Katalysators.
Die erste Membranelektrodenanordnung 20a hat insgesamt eine angenähert viereckige Form. An entgegengesetzten Enden der ersten Membranelektrodenanordnung 20a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind erste ungleichmäßige Abschnitte 38a in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der erste ungleichmäßige Abschnitt 38a am einen Ende der ersten Membranelektrodenanordnung 20a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält eine erste Verlängerung 37a, einen ersten Ausschnitt 39a, eine zweite Verlängerung 37b und einen zweiten Ausschnitt 39b, von oberen zu unteren Positionen hin. Ferner enthält der erste ungleichmäßige Abschnitt 38a am anderen Ende der ersten Membranelektrodenanordnung 20a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung eine dritte Verlängerung 37c, einen dritten Ausschnitt 39c, eine vierte Verlängerung 37d und einen vierten Ausschnitt 39d, von oberen zu unteren Positionen hin.
Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 22 sind kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 24. Wie in den 3 und 4 gezeigt, hat der erste Metallseparator 22 auf seiner zur ersten Membranelektrodenanordnung 20a weisenden Oberfläche 22a ein erstes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (erstes Reaktionsgasfließfeld) 40. Das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (erste Reaktionsgasfließfeld) 40 ist in einem Bereich ausgebildet, der der Katalysatorfläche 36a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a entspricht. Durch abwechselndes Ausbilden von Rippen 40a, die an der Seite der Oberfläche 22a vorstehen, und Nuten 40b, erstreckt sich das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 geradeaus in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Eingeprägte Abschnitte 40c sind an beiden Seiten des ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 40 ausgebildet. An einem Ende des ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 40 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung ist ein gewellter Einlassabschnitt 41a ausgebildet, und ähnlich ist am anderen Ende des ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 40 ein gewellter Auslassabschnitt 41b ausgebildet. Wie in 4 gezeigt, stehen der Einlassabschnitt 41a und der Auslassabschnitt 41b vom Außenende der ersten Membranelektrodenanordnung 20a jeweils vor.
Der erste Metallseparator 22 hat eine Außenform, die einen Abschnitt mit einer gewünschten ungleichmäßigen Form bildet. Der Außenformbildungsabschnitt 42 ist größer als die Außengröße der ersten Membranelektrodenanordnung 20a. Indem das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 auf der Oberfläche 22a des ersten Metallseparators 22 ausgebildet wird, wird ein erstes Kühlmittelfließfeld an der Rückseite der gewellten Oberfläche 22a ausgebildet.
Wie in 3 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 24 eine seitlich langgestreckte rechteckige Form. Am einen Ende des zweiten Metallseparators 24 und des vierten Metallseparators 28 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a zum Zufuhren eines sauerstoffhaltigen Gases (des einen Reaktionsgases), ein Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a zum Zufuhren eines Kühlmittels sowie ein Brenngasabführdurchgang 50b zum Abführen eines Brenngases (des anderen Reaktionsgases), wie etwa wasserstoffhaltigen Gases, vertikal in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a, der Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a und der Brenngasabführdurchgang 50b erstrecken sich durch den zweiten Metallseparator 24 und den vierten Metallseparator 28 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
Am anderen Ende des zweiten Metallseparators 24 und des vierten Metallseparators 28 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind ein Brenngaszufuhrdurchgang 50a zum Zufuhren des Brenngases, ein Kühlmittelabführdurchgang 48b zum Abführen des Kühlmittels und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases vertikal in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Der Brenngaszufuhrdurchgang 50a, der Kühlmittelabführdurchgang 48b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b erstrecken sich durch den zweiten Metallseparator 24 und den vierten Metallseparator 28 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
Wie in 5 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 24 auf seiner zur ersten Membranelektrodenanordnung 20a weisenden Oberfläche 24a ein erstes Brenngasfließfeld (zweites Reaktionsgasfließfeld) 52. Das erste Brenngasfließfeld 52 ist in einem Bereich ausgebildet, der der Katalysatorfläche 36a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a entspricht. Durch abwechselnde Ausbildung von Rippen 52a, die an der Seite der ersten Oberfläche 24a vorstehen, und Nuten 52b erstreckt sich das erste Brenngasfließfeld 52 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Eingeprägte Abschnitte 52c sind an beiden Seiten des ersten Brenngasfließfelds 52 ausgebildet.
Wie in 6 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 24 auf seiner Oberfläche 24b, d. h. an der Rückseite der das erste Brenngasfließfeld 52 bildenden Oberfläche 24a, ein zweites Kühlmittelfließfeld 54. Am einen Ende des zweiten Kühlmittelfließfelds 54 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung ist ein gewellter Einlassabschnitt 56a ausgebildet, und ähnlich ist am anderen Ende des zweiten Kühlmittelfließfelds 54 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung ein gewellter Auslassabschnitt 56b ausgebildet.
Wenn der zweite Metallseparator 24 und der dritten Metallseparator 26 zusammengestapelt sind, sind an Ausschnitten des dritten Metallseparators 26 der Einlassabschnitt 56a und der Auslassabschnitt 56b vorgesehen. Der Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a ist mit dem zweiten Kühlmittelfließfeld 54 durch den Einlassabschnitt 56a verbunden, und der Kühlmittelauslassdurchgang 48b ist mit dem zweiten Kühlmittelfließfeld 54 durch den Auslassabschnitt 56b verbunden.
Der zweite Metallseparator 24 hat benachbart dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a zwei Gaseinlasslöcher 58a, und benachbart dem Brenngasauslassdurchgang 50b zwei Brenngasauslasslöcher 58b. Ferner hat der zweite Metallseparator 24 nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a drei Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlasslöcher 60a, und nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslassdurchgang 54b drei Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslasslöcher 60b.
Wie in den 2 und 5 gezeigt, ist ein Dichtungselement 62 integral an einer Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 24 um das erste Brenngasfließfeld 52 herum ausgebildet. Das Dichtungselement 62 enthält eine erste Dichtung (erstes Dichtungselement) 62a als innere Dichtung, die integral mit dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet ist, eine zweite Dichtung (zweites Dichtungselement) 62b, die außerhalb der ersten Dichtung 62a ausgebildet ist, und eine dritte Dichtung (drittes Dichtungselement) 62c als äußere Dichtung, die außerhalb der zweiten Dichtung 62b ausgebildet ist. Das Dichtungselement 62 ist aus EPDM (Ethylenpropylengummi), Silikongummi, Nitrilgummi oder Acrylgummi hergestellt. Zum Beispiel wird das Dichtungselement 62 Spritzguss mittels geschmolzenen Harzes ausgebildet, das durch Erhitzen von Silikonharz auf eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 160°C bis 170°C) erhalten wird.
Das erste Dichtungselement 62a kontaktiert das Außenende der ersten Membranelektrodenanordnung 20a, d. h. das Außenende der Festpolymerelektrolytmembran 30a. Das zweite Dichtungselement 62b kontaktiert das Außenende des ersten Metallseparators 22. Das dritte Dichtungselement 62c kontaktiert den vierten Metallseparator 28 entsprechend dem zweiten Metallseparator der benachbarten Einheitszelle 12b.
Das erste Dichtungselement 62a bildet ein inneres Dichtungselement, um eine Leckage es Brenngases zu verhindern, das zweite Dichtungselement 62b bildet ein Zwischendichtungselement, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern, und das dritt Dichtungselement 62c bildet ein äußeres Dichtungselement, um eine Leckage des Kühlmittels zu verhindern.
Die zweite Membranelektrodenanordnung 20b hat die gleiche Struktur wie die erste Membranelektrodenanordnung 20a. An entgegengesetzten Enden der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind zweite ungleichmäßige Abschnitte 38b in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der zweite ungleichmäßige Abschnitt 38b am einen Ende der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält, von oberen zu unteren Positionen hin, einen fünften Ausschnitt 39e, eine fünfte Verlängerung 37e, einen sechsten Ausschnitt 39f und eine sechste Verlängerung 37f. Ferner enthält der zweite ungleichmäßige Abschnitt am anderen Ende der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, von oberen zu unteren Positionen hin, einen siebten Ausschnitt 39g, eine siebte Verlängerung 39g, einen achten Ausschnitt 39h sowie eine achte Verlängerung 37h.
Der dritte Metallseparator 26 hat auf seiner zur zweiten Membranelektrodenanordnung 20b weisenden Oberfläche 26a ein zweites Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64. Am einen Ende des zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 64 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung ist ein gewellter Einlassabschnitt 63a ausgebildet, und ähnlich ist am anderen Ende des zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 64 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung ein gewellter Auslassabschnitt 63b ausgebildet. Der Einlassabschnitt 63a und der Auslassabschnitt 63b stehen von den Außenenden der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b jeweils vor. Wenn somit die Oberfläche 26b des dritten Metallseparators 26 auf die Oberfläche 24b des zweiten Metallseparators 24 gestapelt wird, wird das zweite Kühlmittelfließfeld 54 zwischen dem zweiten Metallseparator 24 und dem dritten Metallseparator 26 ausgebildet. Der dritte Metallseparator 26 hat einen Außenformbildungsabschnitt 65 mit einer vorbestimmten ungleichmäßigen Form.
Wie in 7 gezeigt, hat der vierte Metallseparator 28 auf seiner zur zweiten Membranelektrodenanordnung 20b weisenden Oberfläche 28 ein zweites Brenngasfließfeld 66. Das zweite Brenngasfließfeld 66 enthält Rippen 66a und Nuten 66b, die sich in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken. An entgegengesetzten Enden des zweiten Brenngasfließfelds 66 sind eingeprägte Abschnitte 66c ausgebildet.
Wie in 8 gezeigt, ist das erste Kühlmittelfließfeld 44 auf einer Oberfläche 28b des vierten Metallseparators 28 ausgebildet, d. h. an der Rückseite der das zweite Brenngasfließfeld 66 bildenden Oberfläche 28a. Wenn der vierte Metallseparator 28 auf den ersten Metallseparator 22 gestapelt wird, wird zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem vierten Metallseparator 28 ein erstes Kühlmittelfließfeld 44 gebildet. An entgegengesetzten Enden des ersten Kühlmittelfließfelds 44 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind ein gewellter Einlassabschnitt 68a und ein gewellter Auslassabschnitt 68b an äußeren Positionen vorgesehen.
Der Einlassabschnitt 68a und der Auslassabschnitt 68b verbinden den Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a und den Kühlmittelabführdurchgang 48b mit dem ersten Kühlmittelfließfeld 44 durch Ausschnitte des ersten Metallseparators 22.
Der vierte Metallseparator 28 hat zwei Einlasslöcher 70a und zwei Auslasslöcher 70b an Positionen, die in der Stapelrichtung von den zwei Einlasslöchern 58a und den zwei Auslasslöchern 58b des zweiten Metallseparators 24 verlagert sind. Ferner hat der vierte Metallseparator 28 drei Einlasslöcher 72a und drei Auslasslöcher 72b an Positionen, die von den drei Einlasslöchern 60a und den drei Auslasslöchern 60b in der Stapelrichtung verlagert sind.
Wie in 7 gezeigt, ist ein Dichtungselement 74 integral an einer Oberfläche 28a des vierten Metallseparators 28 um das zweite Brenngasfließfeld 66 herum ausgebildet. Das Dichtungselement 74 enthält eine erste Dichtung (erstes Dichtungselement) 74a als innere Dichtung, eine zweite Dichtung (zweites Dichtungselement) 74 als Zwischendichtung, die außerhalb der ersten Dichtung 74a angeordnet ist, sowie eine dritte Dichtung (drittes Dichtungselement) 74c als äußere Dichtung, die außerhalb der zweiten Dichtung 74b angeordnet ist. Die erste Dichtung 74a als die innere Dichtung zum Verhindern einer Leckage des Brenngases, kontaktiert das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30b der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b, die zweite Dichtung 74b als die Zwischendichtung zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases kontaktiert das Außenende des dritten Metallseparators 26, und die dritte Dichtung 74c als die äußere Dichtung zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels kontaktiert das Außenende des zweiten Metallseparators 24 der Einheitszelle 12a.
Wie in den 9 und 10 gezeigt, enthalten der zweite Metallseparator 24 und der vierte Metallseparator 28 einen Kanal 75, der den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46 mit dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 und dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64 in der Gegenwart der dritten Dichtungen 62c, 74c verbindet. Der Kanal 75 enthält Einlasslöcher (Durchgangslöcher) 60a, 72a für das sauerstoffhaltige Gas. Ähnlich enthalten, wie in den 11 und 12 gezeigt, der zweite Metallseparator 24 und der vierte Metallseparator 28 einen Kanal 77, der den Brenngaszufuhrdurchgang 50a mit dem ersten Brenngasfließfeld 52 und dem zweiten Brenngasfließfeld 66 in der Gegenwart der dritten Dichtungen 62c, 74c verbindet. Der Kanal 77 enthält Einlasslöcher (Durchgangslöcher) 58a, 70a für das Brenngas.
Ein erster Kanal 76a ist in der Einheitszelle 12a durch den ersten ungleichmäßigen Abschnitt 38a ausgebildet, und ein zweiter Kanal 76b ist in der Einheitszelle 12b durch den zweiten ungleichmäßigen Abschnitt 38b ausgebildet.
Wie in 9 gezeigt, ist der erste Kanal 76a an dem ersten Ausschnitt 39a zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet. Der erste Kanal 76a enthält einen ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78a, der den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a mit dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 verbindet. Wie in 11 gezeigt, enthält der erste Kanal 76a einen ersten Brenngaszufuhrverbindungskanal 79a, der zwischen der dritten Verlängerung 67c und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet ist, um den Brenngaszufuhrdurchgang 50a mit dem ersten Brenngasfließfeld 52 zu verbinden.
Wie in 3 gezeigt, enthält der erste Kanal 76a einen ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführverbindungskanal 78b, der an dem vierten Ausschnitt 39d zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet ist, um den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b mit dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 zu verbinden. Der erste Kanal 76a enthält einen ersten Brenngasabführverbindungskanal 79b, der zwischen der zweiten Verbindung 37b und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet ist, um den Brenngaszufuhrdurchgang 50a mit dem ersten Brenngasfließfeld 52 zu verbinden.
Wie in 10 gezeigt, enthält der zweite Kanal 76b einen zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78c, der an dem fünften Ausschnitt 39e zwicshen dem dritten Metallseparator 26 und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet ist, um den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a mit dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64 zu verbinden. Wie in 12 gezeigt, enthält der zweite Kanal 76b einen zweiten Brenngaszufuhrverbindungskanal 79c, der zwischen der siebten Verlängerung 37g und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet ist, um den Brenngaszufuhrdurchgang 50a mit dem zweiten Brenngasfließfeld 66 zu verbinden.
Wie in 3 gezeigt, enthält der zweite Kanal 76b einen zweiten Sauerstofhaltiges-Gas-Abführverbindungskanal 78d, der an dem achten Ausschnitt 39h zwischen dem dritten Metallseparator 26 und dem Metallseparator 28 ausgebildet ist, um den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b mit dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64 zu verbinden. Der zweite Kanal 76b enthält einen zweiten Brenngasabführverbindungskanal 79d, der zwischen der sechsten Verlängerung 37f und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet ist, um den Brenngaszufuhrdurchgang 50a mit dem zweiten Brenngasfließfeld 66 zu verbinden.
Nachfolgend wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 mit der obigen Struktur beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, wird an der Endplatte 16a ein sauerstoffhaltiges Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a zugeführt, und wird ein Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, dem Brenngaszufuhrkanal 50a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel, wie etwa reines Wasser oder Ethylenglykol, dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a zugeführt.
Wie in 6 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 24 der Einheitszelle 12a die drei Einlasslöcher 60a, die von der Oberfläche 24b her mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a verbunden sind. Ferner hat, wie in 8 gezeigt, der vierte Metallseparator 28 der Einheitszelle 12b die drei Einlasslöcher 72a, die von der Oberfläche 28b her mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a verbunden sind.
In der Struktur fließt, wie in 9 gezeigt, ein Teil des dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a zugeführten sauerstoffhaltigen Gases durch die Einlasslöcher 60a des zweiten Metallseparators 24 zu dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78a an der Oberfläche 24a, und das sauerstoffhaltige Gas fließt von dem Einlassabschnitt 41a des ersten Metallseparators 22 in das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40.
Wie in 10 gezeigt, fließt in der Einheitszelle 12b ein Teil des dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a zugeführten sauerstoffhaltigen Gases durch die Einlasslöcher 72a des vierten Metallseparators 28 zu dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78c an der Oberfläche 28a, und das sauerstoffhaltige Gas fließt von dem Einlassabschnitt 63a des dritten Metallseparators 26 in das zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64.
Ferner hat, wie in 6 gezeigt, der zweite Metallseparator 24 zwei Einlasslöcher 58a, die mit dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a an der Oberfläche 24b verbunden sind. Wie in 8 gezeigt, hat der vierte Metallseparator 28 zwei Einlasslöcher 70a, die an der Oberfläche 28b mit dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a verbunden sind.
Somit fließt, wie in 11 gezeigt, ein Teil des dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a zugeführten Brenngases durch die Einlasslöcher 58a des zweiten Metallseparators 24 zu dem ersten Brenngaszufuhrverbindungskanal 79a an der Oberfläche 24a, und das Brenngas wird dem ersten Brenngasfließfeld 52 zugeführt, das mit dem ersten Brenngaszufuhrverbindungskanal 79a verbunden ist.
Ferner fließt, wie in 12 gezeigt, ein Teil des dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a zugeführten Brenngases durch die Einlasslöcher 70a des vierten Metallseparators 28 zu dem zweiten Brenngaszufuhrverbindungskanal 79c an der Oberfläche 28a, und das Brenngas wird dem zweiten Brenngasfließfeld 66 zugeführt, das mit dem zweiten Brenngaszufuhrverbindungskanal 79c verbunden ist.
Somit werden, wie in 3 gezeigt, in der ersten Membranelektrodenanordnung 20a das der Kathode 32a zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 34a zugeführte Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen an den Elektrodenkatalysatorschichten verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen. Ähnlich werden in der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b das der Kathode 32b zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 34b zugeführte Brenngas verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Das sauerstoffhaltige Gas von dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 in der Einheitszelle 12 fließt von dem Auslassabschnitt 41b zu dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführverbindungskanal 78b und fließt durch die Auslasslöcher 60b des zweiten Metallseparators 24 zu der Oberfläche 24b. Dann wird das sauerstoffhaltige Gas zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b abgegeben. Ähnlich fließt das sauerstoffhaltige Gas von dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64 der Einheitszelle 12b von dem Auslassabschnitt 63b zu dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführverbindungskanal 78d. Dann wird das sauerstoffhaltige Gas durch die Auslasslöcher 72b des vierten Metallseparators 28 zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b abgegeben.
Ferner fließt das Brenngas von dem ersten Brenngasfließfeld 52 des zweiten Metallseparators 24 in den ersten Brenngasabführverbindungskanal 79b und fließt durch die Auslasslöcher 58b hindurch zu der Oberfläche 24b. Dann wird das Brenngas zu dem Brenngasabführdurchgang 50b abgegeben. Ähnlich fließt das Brenngas von dem zweiten Brenngasfließfeld 66 des vierten Metallseparators 28 in den zweiten Brenngasabführverbindungskanal 79d und fließt durch die Auslasslöcher 70b zu der Oberfläche 28b. Dann wird das Brenngas zu dem Brenngasabführkanal 50b abgegeben.
Ferner sind, wie in 8 gezeigt, der Einlassabschnitt 68a und der Auslassabschnitt 68b, die mit dem ersten Kühlmittelfließfeld 44 verbunden sind, an der Oberfläche 28b des vierten Metallseparators 28 vorgesehen.
Der Einlassabschnitt 68a und der Auslassabschnitt 68b sind an Positionen vorgesehen, die den Ausschnitten des ersten Metallseparators 22 entsprechen.
In der Struktur fließt, wie in 13 gezeigt, das dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a zugeführte Kühlmittel von der Oberfläche 28b des vierten Metallseparators 28 zu dem ersten Kühlmittelfließfeld 44, das zwischen dem vierten Metallseparator 28 und dem ersten Metallseparator 22 ausgebildet ist, durch den Einlassabschnitt 68a hindurch. Nachdem das Kühlmittel durch das erste Kühlmittelfließfeld 44 hindurchgeflossen ist, um die Brennstoffzelle 10 zu kühlen, wird das Kühlmittel von der Oberfläche 28b dem Kühlmittelabführdurchgang 48b durch den Auslassabschnitt 68b hindurch abgegeben (siehe 3).
Wie in 6 gezeigt, sind der Einlassabschnitt 56a und der Auslassabschnitt 56b, die mit dem zweiten Kühlmittelfließfeld 54 verbunden sind, an der Oberfläche 24b des zweiten Metallseparators 24 vorgesehen. Der Einlassabschnitt 56a und der Auslassabschnitt 56b sind an Positionen vorgesehen, die den Ausschnitten des dritten Metallseparators 26 entsprechen.
Somit fließt, wie in 14 gezeigt, das dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a zugeführte Kühlmittel von der Oberfläche 24b zu dem zweiten Kühlmittelfließfeld 54, das zwischen dem zweiten Metallseparator 24 und dem dritten Metallseparator 26 ausgebildet ist, durch den Einlassabschnitt 56a hindurch. Nachdem das Kühlmittel durch das zweite Kühlmittelfließfeld 54 hindurchgeflossen ist, wird das Kühlmittel durch den Auslassabschnitt 56b von der Oberfläche 24b in den Kühlmittelabführkanal 48b abgegeben (siehe 3).
In der ersten Ausführung sind die Außendimensionen des ersten Metallseparators 22 der Einheitszelle 12a kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 24. In der ersten Membranelektrodenanordnung 20a ist die Oberflächenausdehnung der Anode 34a kleiner als die Oberflächenausdehnung der Kathode 32a.
Wie in den 2 und 5 gezeigt, sind das erste Dichtungselement 62a, das das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a kontaktiert, das zweite Dichtungselement 62b, das das Außenende des zweiten Metallseparators 24 kontaktiert, und das dritte Dichtungselement 62c, das den vierten Metallseparator 28 (im Wesentlichen gleich dem zweiten Metallseparator 24) der benachbarten Einheitszelle 12b kontaktiert, integral an der Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 24 ausgebildet.
Somit wird in dem zweiten Metallseparator 24, in dem die Dichtung einfach nur auf der Oberfläche 24a ausgebildet wird, im Vergleich zu dem Fall, wo die Dichtung auch auf der Oberfläche 24b ausgebildet wird, der Dichtungsformungsprozess signifikant vereinfacht und wird wirtschaftlich ausgeführt.
Die erste Dichtung 62a zum Verhindern einer Leckage des Brenngases, die zweite Dichtung 62b zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases und die dritte Dichtung 62c zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels sind in der mit dem Pfeil A angegebenen Stapelrichtung voneinander versetzt. Somit wird im Vergleich zu der Struktur, in der zumindest zwei der Brenngasdichtung, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Dichtung und der Kühlmitteldichtung einander überlappen, eine Dickenreduktion der Brennstoffzelle 10 leicht erreicht.
In der Struktur hat die erste Dichtung 62a, die zweite Dichtung 62b und die dritte Dichtung 62c jeweils eine ausreichende Höhe, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases, des Brenngases und des Kühlmittels geeignet zu verhindern. Es wird eine Dickenreduktion in der Stapelrichtung erzielt, Die Gesamtgröße der Brennstoffzelle 10 wird leicht und zuverlässig reduziert.
Ferner sind das Brenngasfließfeld 52, die Einlasslöcher 58a und die Auslasslöcher 58b durch die Dreifachdichtungsstruktur abgedichtet, welche das erste Dichtungselement 62a, das zweite Dichtungselement 62b und das dritte Dichtungselement 62c enthält. Somit wird eine Verbesserung in der Brenngas-Abdichtungsleistung auf geeignete Weise erzielt, und eine Leckage des Brenngases wird weitestmöglich verhindert.
Ferner sind in der ersten Ausführung der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a, der Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a, der Brenngasabführdurchgang 50b, der Brenngaszufuhrdurchgang 50a, der Kühlmittelabführdurchgang 48b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b nicht in dem ersten Metallseparator 22 vorgesehen. In der Struktur wird eine gewünschte Steifigkeit während der Stapelung der Einheitszellen 12 und die Steifigkeit der Elektrodenoberfläche, die für den Zusammenbau der Einheitszellen 12a erforderlich sind, eingehalten. Ferner wird die Gewichtsreduktion der Einheitszellen 12a erzielt und wird auch das Gesamtgewicht der Brennstoffzelle 10 leicht reduziert. Auch in der Einheitszelle 12b werden die gleichen Vorteile wie im Falle der Einheitszelle 12a erzielt.
In der Struktur werden das Gesamtgewicht und die Größe der Brennstoffzelle 10 leicht reduziert. insbesondere wird, während eine große Anzahl von Einheitszellen 12a, 12b zusammengestapelt werden, um die in einem Fahrzeug angebrachte Brennstoffzelle 10 zu bilden, das Gesamtgewicht der Brennstoffzelle 10 signifikant reduziert und es wird auf leichte Weise eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erzielt.
Ferner kann in der Tat in der Einheitszelle 12b der erste Metallseparator 22 durch eine 180°-Drehung auch als der dritte Metallseparator 26 benutzt werden, sodass der erste Metallseparator 22 und der dritte Metallseparator 26 entgegengesetzt orientiert sind. Der zweite Metallseparator 24 kann durch 180°-Drehung als der vierte Metallseparator 28 verwendet werden, sodass der zweite Metallseparator 24 und der vierte Metallseparator 28 entgegengesetzt orientiert sind. Somit hat die Brennstoffzelle 10 insgesamt eine wirtschaftliche Struktur.
Das erste Dichtungselement 62a, das zweite Dichtungselement 62b und das dritte Dichtungselement 62c sind an dem zweiten Metallseparator 24 vorgesehen. Die abgerundeten Vorderenden des ersten Dichtungselements 62a, des zweiten Dichtungselements 62b und des dritten Dichtungselements 62c kontaktieren jeweils das flache Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30a, der Oberfläche 22a des ersten Metallseparators 22 und die Oberfläche 28b des vierten Metallseparators 28. In dieser Struktur ist es möglich, eine Abnahme im Liniendruck in den Dichtungsbereichen, das Auftreten einer Leckage und eine Verformung der Separatoren zuverlässig zu verhindern.
In der ersten Ausführung ist das Dichtungselement 62 integral mit dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet. In der Struktur ist ein Positionierungsvorgang des Dichtungselements 62 relativ zu dem zweiten Metallseparator 24 nicht erforderlich, anders als bei der Struktur, in der das Dichtungselement 62 vorab mit einer gewünschten Form ausgebildet wird und dann das Dichtungselement 62 mit dem zweiten Metallseparator 24 verbunden wird. Somit wird die Dichtungsstruktur signifikant vereinfacht, und die Leistungsfähigkeit beim Zusammenbauvorgang der Brennstoffzelle 10 wird geeignet verbessert.
Wie in den 2 und 5 gezeigt, sind die erste Dichtung 62a, die das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a kontaktiert, die zweite Dichtung 62b, die das Außenende des zweiten Metallseparators 24 kontaktiert, und die dritte Dichtung 63c, die den vierten Metallseparator 28 (im Wesentlichen der gleiche wie der zweite Metallseparator 24) der benachbarten Einheitszelle 12b kontaktiert, integral an der Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 24 ausgebildet.
Somit wird in dem zweiten Metallseparator 24, im Vergleich zu dem Fall, wo die Dichtung auch auf der Oberfläche 24b ausgebildet wird, der Dichtungsbildungsprozess signifikant vereinfacht und wirtschaftlich ausgeführt, indem einfach die Dichtung nur auf der Oberfläche 24a ausgebildet wird.
Ferner ist in dem ersten Metallseparator 22 kein Dichtungsformungsvorgang erforderlich. Somit reicht es aus, das Dichtungselement 62 nur an dem zweiten Metallseparator 24 auszubilden. Der Dichtungsausbildungsvorgang wird einfach und wirtschaftlich ausgeführt. Die Gesamtproduktionskosten der Brennstoffzelle 10 werden leicht reduziert.
Ferner sind in der ersten Ausführung die ersten ungleichmäßigen Abschnitte 38a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a und die zweiten ungleichmäßigen Abschnitte 38b der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b, die in der Stapelrichtung einander benachbart sind, in der Stapelrichtung voneinander voneinander versetzt. In der Struktur überlappen sich der benachbarte erste Kanal 76a und der zweiten Kanal 76b in der Stapelrichtung einander nicht.
Insbesondere ist z. B. der erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78a, der das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a verbindet, von dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78c, der das zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 64 mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a verbindet, in der Stapelrichtung versetzt. Somit wird es möglich, die Dicke der Einheitszellen 12a, 12b in der Stapelrichtung zu reduzieren, während die ausreichende Fließfeldhöhe und die ausreichende Dichtungshöhe in dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78a und dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78c erhalten bleiben. Dementsprechend wird die Reduktion der Gesamtgröße der Brennstoffzelle 10 leicht erreicht, und insbesondere wird die Größe des Brennstoffzellenstapels, der in einem Fahrzeug angebracht ist, geeignet reduziert
15 ist eine Teilquerschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 80 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bauelemente, die mit jenen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen. Auch in den dritten bis sechzehnten Ausführungen, wie sie später beschrieben sind, sind die Bauelemente, die mit jenen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführung identisch sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
Die Brennstoffzelle 80 wird gebildet, indem Einheitszellen 82a, 82b abwechselnd in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 82a wird gebildet, indem eine erste Membranelektrodenanordnung 20a zwischen einem ersten Metallseparator 83 und einem zweiten Metallseparator 84 aufgenommen wird. Die Einheitszelle 82b wird gebildet, indem eine zweite Membranelektrodenanordnung 20b zwischen einem dritten Metallseparator 86 und einem vierten Metallseparator 88 aufgenommen wird.
Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 83 sind größer als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 84. Der erste Metallseparator 83 hat eine innere Dichtung (zweites Dichtungselement, dritte Dichtung) 90a zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels, eine Zwischendichtung (erstes Dichtungselement, erste Dichtung) 90b, die außerhalb der inneren Dichtung 90a vorgesehen ist, um eine Leckage des Brenngases zu verhindern, sowie eine äußere Dichtung (drittes Dichtungselement, zweite Dichtung) 90c, die außerhalb der Zwischendichtung 90b vorgesehen ist, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern.
Die Außendimensionen des dritten Metallseparators 86 sind größer als die Außendimensionen dse vierten Metallseparators 88. Der dritte Metallseparator 86 hat eine innere Dichtung (zweites Dichtungselement) 92a zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels, eine Zwischendichtung (erstes Dichtungselement) 92b, die außerhalb der inneren Dichtung 92a vorgesehen ist, um eine Leckage des Brenngases zu verhindern, und eine äußere Dichtung (drittes Dichtungselement) 92c, die außerhalb der Zwischendichtung 92b vorgesehen ist, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern.
In der Tat wird der erste Metallseparator 83 durch 180°-Drehung als der dritte Metallseparator 86 verwendet, sodass der erste Metallseparator 83 und der dritte Metallseparator 86 entgegengesetzt orientiert sind. In der Tat wird der zweite Metallseparator 84 durch 180°-Drehung als der vierte Metallseparator 88 verwendet, sodass der zweite Metallseparator 84 und der vierte Metallseparator 88 entgegengesetzt orientiert sind.
Die inneren Dichtungen 90a, 92a kontaktieren jeweils die Außenenden des vierten Metallseparators 88 und des zweiten Metallseparators 84. Die Zwischendichtungen 90b, 92b kontaktieren jeweils das Außenende der Festpolymerelektrolytmembran 30b der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b und das Außenende der Festpolymerelektrolytmembran 30a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a. Die äußeren Dichtungen 90c, 92c kontaktieren die Außenenden des dritten Metallseparators 86 und des ersten Metallseparators 83, die einander benachbart sind.
In der zweiten Ausführung mit der obigen Struktur sind in der Einheitszelle 82a, die innere Dichtung 90a, die Zwischendichtung 90b und die äußere Dichtung 90c integral nur auf einer Oberfläche des ersten Metallseparators 83 ausgebildet. Somit wird der Dichtungsprozess signifikant vereinfacht und wirtschaftlich ausgeführt. Ferner wird, als die Brenngasdichtungsstruktur, eine doppelte Dichtungsstruktur, welche die Zwischendichtung 90b und die äußere Dichtung 90c enthält, angewendet. Somit werden die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung erhalten. Zum Beispiel wird die Leistung darin, die Leckage des Brenngases zu verhindern, geeignet verbessert.
16 ist eine Teilquerschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 80a gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bauelemente, die mit jenen der Brennstoffzelle 10 gemäß der zweiten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
Die Brennstoffzelle 80a wird gebildet, indem Einheitszellen 82a, 82b abwechselnd in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 82a wird gebildet, indem eine erste Membranelektrodenanordnung 20a zwischen einem ersten Metallseparator 83a und einem zweiten Metallseparator 84a aufgenommen wird. Die Einheitszelle 82b wird gebildet, indem eine zweite Membranelektrodenanordnung 20b zwischen einem dritten Metallseparator 86a und einem vierten Metallseparator 88a aufgenommen wird.
Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 83a sind kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 84a. Ein Dichtungselement 90 ist integral mit dem zweiten Metallseparator 84a ausgebildet. Das Dichtungselement 90 enthält eine innere Dichtung 90a zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels, eine Zwischendichtung 90b, die außerhalb der inneren Dichtung 90a vorgesehen ist, um eine Leckage des Brenngases zu verhindern, und eine äußere Dichtung 90c, die außerhalb der Zwischendichtung 90b vorgesehen ist, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern.
Die Außendimensionen des dritten Metallseparators 86a sind kleiner als die Außendimensionen des vierten Metallseparators 88a. Ein Dichtungselement 92 ist integral mit dem vierten Metallseparator 88a ausgebildet. Das Dichtungselement 92 enthält eine innere Dichtung 92a zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels, eine Zwischendichtung 92b, die außerhalb der inneren Dichtung 92a vorgesehen ist, um eine Leckage des Brenngases zu verhindern, sowie eine äußere Dichtung 92c, die außerhalb der Zwischendichtung 92b vorgesehen ist, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern.
In der Tat wird der zweite Metallseparator 84a durch 180°-Drehung als der vierte Metallseparator verwendet, sodass der zweite Metallseparator 84a und der vierte Metallseparator 88a entgegengesetzt orientiert sind. In der Tat wird der erste Metallseparator 83a durch 180°-Drehung als der dritte Metallseparator 86a verwendet, sodass der erste Metallseparator 83a und der dritte Metallseparator 86a entgegengesetzt orientiert sind.
Die inneren Dichtungen 90a, 92a kontaktieren jeweils vier Außenenden des dritten Metallseparators 86a und des ersten Metallseparators 83a. Die Zwischendichtungen 90b, 92b kontaktieren jeweils das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30b der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b und das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30a der ersten Membranelektrodenanordnung 20a. Die äußeren Dichtungen 90c, 92c kontaktieren die Außenenden des vierten Metallseparators 88a und des zweiten Metallseparators 84a, die einanander benachbart sind.
In der dritten Ausführung ist kein Vorgang zum Formen des Dichtungselements für den ersten Metallseparator 83a und den dritten Metallseparator 86a erforderlich. Somit wird der Dichtungsformungsprozess signifikant vereinfacht und wirtschaftlich ausgeführt. Die Gesamtproduktionskosten der Brennstoffzelle 80a werden leicht reduziert.
Ferner enthält in der dritten Ausführung das Dichtungselement 90 die innere Dichtung 90a zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels, die Zwischendichtung 90b zum Verhindern einer Leckage des Brenngases und die äußere Dichtung 90c zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases. Das innere Dichtungselement 90a, die Zwischendichtung 90b und die äußere Dichtung 90c sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt. Ähnlich enthält das Dichtungselement 92 die innere Dichtung 92a zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels, die Zwischendichtung 92b zum Abdichten des Brenngases und die äußere Dichtung 92c zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases. Die innere Dichtung 92a, die Zwischendichtung 92b und die äußere Dichtung 92c sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt.
In der Struktur ist es möglich, eine Leckage des Kühlmittels, des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern und die Gesamtgröße der Brennstoffzelle 80a zu reduzieren, während die ausreichende Dichtungshöhe in jedem Fluidkanal erhalten bleibt.
17 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 100 gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 100 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Einheitszellen 102 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Jede der Einheitszellen 102 wird gebildet, indem die Membranelektrodenanordnung (Elektrolytelektrodenanordnung) 104 zwischen einem ersten Metallseparator 106 und einem zweiten Metallseparator 108 aufgenommen wird (siehe 17 und 18). Die Membranelektrodenanordnung 104 enthält eine Festpolymerelektrolytmembrane 30, eine Kathode 32 und eine Anode 34. Die Außendimensionen (Oberflächenausdehnungen) der Festpolymerelektrolytmembrane 30, der Kathode 32 und der Anode 34 sind die gleichen.
Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 106 sind kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 108. In der Tat hat der erste Metallseparator 106 die gleiche Struktur wie der erste Metallseparator 22 der ersten Ausführung.
Ein Dichtungselement 110 ist integral mit dem zweiten Metallseparator 108 ausgebildet. Wie in den 17 und 19 gezeigt, enthält das Dichtungselement 110 an der Oberfläche 24a eine erste Dichtung (innere Dichtung) 110a, die um das erste Brenngasfließfeld 52 herum ausgebildet ist, sowie eine zweite Dichtung (äußere Dichtung) 110b.
Die erste Dichtung 110a kontaktiert das Außenende der Membranelektrodenanordnung 104, und die zweite Dichtung 110b kontaktiert den zweiten Metallseparator 108 der benachbarten Einheitszelle 102 (siehe 17).
In der vierten Ausführung mit der obigen Struktur wird anstelle der Anwendung der ersten Membranelektrodenanordnung 20a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b, welche Elektroden mit unterschiedlichen Größen enthalten (als gestufte MEA bezeichnet), gemäß der ersten Ausführung, die Membranelektrodenanordnung 104 angewendet, deren Elektroden die gleiche Größe haben. Auch in dieser Struktur werden die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung erhalten.
20 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 112 gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 112 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Einheitszellen 114 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 114 enthält eine Membranelektrodenanordnung 104, einen ersten Metallseparator 106 und einen zweiten Metallseparator 116. Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 106 sind kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 116.
Ein erstes Dichtungselement 118 ist integral an der Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 116 um das Brenngasfließfeld 52 herum ausgebildet. Das erste Dichtungselement 118 enthält eine erste Dichtung (innere Dichtung) 118a und eine zweite Dichtung (äußere Dichtung) 118b. Die erste Dichtung 118a kontaktiert das Außenende der Membranelektrodenanordnung 104. Die zweite Dichtung 118b kontaktiert ein zweites Dichtungselement 119 (später beschrieben), das auf dem zweiten Metallseparator 126 der benachbarten Einheitszelle 122 vorgesehen ist.
Das zweite Dichtungselement 119 ist integral mit der Oberfläche 24b des zweiten Metallseparators 126 um das Kühlmittelfließfeld 54 herum ausgebildet. Das zweite Dichtungselement 119 enthält eine Dichtung 119a. Die Außenenden der Membranelektrodenanordnung 104 und des ersten Metallseparators 106 sind zwischen der Dichtung 119a und der inneren Dichtung 118a aufgenommen.
In der Brennstoffzelle 120 mit der obigen Struktur erhält man die gleichen Vorteile wie in den Fällen der ersten bis vierten Ausführung.
21 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 120 gemäß einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 120 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Einheitszellen 122 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 122 enthält eine Membranelektrodenanordnung 104, einen ersten Metallseparator 124 und einen zweiten Metallseparator 126. Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 124 sind kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 126.
Wie in den 22 und 23 gezeigt, stehen, an angenähert mittleren Positionen der beiden Enden des ersten Metallseparators 124 in der mit dem Pfeil B angegebenen Längsrichtung, Verlängerungen 128a, 128b zu dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a bzw. dem Kühlmittelabführdurchgang 48b des zweiten Metallseparators 126 vor.
Der erste Metallseparator 124 hat auf einer Oberfläche 22a eine Mehrzahl von Nuten 132a, 132b. Die Einlassseite und die Auslassseite des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 40 öffnen sich durch die Nuten 132a, 132b nach außen. Wie in 23 gezeigt, ist ein gekrümmtes Dichtungselement 134 um das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 herum auf der Oberfläche 22a des ersten Metallseparators 24 vorgesehen. Ein Teil des Dichtungselements 134 bildet die Nuten 132a, 132b.
Wie in 24 gezeigt, ist ein Kühlmittelfließfeld 54 in der Oberfläche 22b des ersten Metallseparators 124 ausgebildet, Die Verlängerungen 128a, 128b haben Nuten 136a, 136b, welche das Kühlmittelfließfeld 54 mit dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a und dem Kühlmittelabführdurchgang 48b verbindet, die sich durch den zweiten Metallseparator 126 erstrecken.
Wie in 25 gezeigt, sind ein erstes Dichtungselement 138 und eines zweites Dichtungselement 140 integral an der Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 126 um das Brenngasfließfeld 52 herum ausgebildet.
Die Membranelektrodenanordnung 104 ist zwischen dem ersten Dichtungselement 138 und dem Dichtungselement 134 des ersten Metallseparators 124 aufgenommen. Das zweite Dichtungselement 140 kontaktiert den zweiten Metallseparator 126 der benachbarten Einheitszelle 122 (siehe 21).
Wie in 25 gezeigt, dichtet das erste Dichtungselement 138 den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b, den Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a und den Kühlmittelabführdurchgang 48b ab, während es eine Verbindung des Brenngaszufuhrdurchgangs 50a und des Brenngasabführdurchgangs 50b mit dem Brenngasfließfeld 52 erlaubt.
Nuten 142a sind durch das erste Dichtungselement 138 zwischen dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a und dem Brenngasfließfeld 52 ausgebildet, und Nuten 142b sind durch das erste Dichtungselement 138 zwischen dem Brenngasabführdurchgang 50b und dem Brenngasfließfeld 52 ausgebildet.
Wie in 25 gezeigt, sind Kanäle 143a, 143b, die den Brenngaszufuhrdurchgang 50a und den Brenngasabführdurchgang 50b mit dem Brenngasfließfeld 52 verbinden, in dem zweiten Metallseparator 126 ausgebildet. Die Kanäle 143a, 143b enthalten jeweilige Nuten 142a, 142b.
Nuten 144a und 144b sind zwischen dem ersten Dichtungselement 138 und dem zweiten Dichtungselement 140 ausgebildet. Die Nuten 144a verbinden den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a mit den Nuten 132a des ersten Metallseparators 124, und die Nuten 144b verbinden den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b mit den Nuten 132b.
Wie in den 23 und 25 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 126 Kanäle 146a, 146b, die den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a und den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b jeweils mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließbett 40 des ersten Metallseparators 124 verbinden. Die Kanäle 146a, 146b enthalten Nuten 144a, 144b. Die Nuten 132a, 132b sind durch die Nuten 144a, 144b mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 verbunden.
In der Brennstoffzelle 120 mit der obigen Struktur stehen das erste Dichtungselement 138 und das zweite Dichtungselement 140 eines der benachbarten zweiten Metallseparatoren 126 in dichtem Kontakt mit dem anderen der benachbarten zweiten Metallseparatoren 126.
In dieser Struktur fließt das sauerstoffhaltige Gas, das dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a jeder Einheitszelle 122 zugeführt wird, in den Kanal 146a (siehe 25), und dann wird das sauerstoffhaltige Gas von den Nuten 144a des zweiten Metallseparators 126 durch die Nuten 132a des ersten Metallseparators 124 dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 zugeführt (siehe 23). Das in der Reaktion in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 verbrauchte Brenngas wird von den Nuten 132b zu dem Kanal 146b abgeführt und fließt durch die Nuten 144b zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b.
Wie in 25 gezeigt, fließt das dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a der Einheitszellen 122 zugeführte Brenngas in den Kanal 143a, und das Brenngas wird durch die Nuten 142a dem Brenngasfließfeld 52 zugeführt. Das in dem Brenngasfließfeld 52 verbrauchte Brenngas wird von den Nuten 142b des Kanals 143b zu dem Brenngasabführdurchgang 50b abgeführt.
Ferner fließt das dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a zugeführte Kühlmittel durch die Nuten 136a in der Verlängerung 128a des ersten Metallseparators 24, und das Kühlmittel wird dem Kühlmittelfließfeld 54 zugeführt (siehe 24). Dann wird das zum Kühlen jeder Einheitszelle 122 verbrauchte Kühlmittel durch die in der anderen Verlängerung 128b ausgebildeten Nuten 136b zu dem Kühlmittelabführdurchgang 48b abgeführt.
In der sechsten Ausführung mit der obigen Struktur erhält man die gleichen Vorteile wie in den Fällen der ersten bis fünften Ausführungen. Zum Beispiel werden die Außendimensionen des ersten Metallseparators 124 signifikant reduziert. Es ist möglich, das Gewicht und die Größe jeder der Einheitszellen 122 zu reduzieren.
26 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 150 gemäß einer siebten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 150 erhält man durch Modifizieren der Brennstoffzelle 120 gemäß der sechsten Ausführung durch Anwendung einer sogenannten Skip-Kühlungsstruktur, worin das Kühlmittelfließfeld 150 für jede vorbestimmte Zahl von z. B. alle zwei Membranelektrodenanordnungen 104 vorgesehen ist.
Die Brennstoffzelle 150 wird gebildet durch Stapeln eines ersten Metallseparators 124, einer Membranelektrodenanordnung 104, eines zweiten Metallseparators 152, einer anderen Membranelektrodenanordnung 104, eines dritten Metallseparators (der die gleiche Struktur wie der zweite Metallseparator 126 hat) 154, eines anderen ersten Metallseparators 124, einer anderen Membranelektrodenanordnung 104, eines anderen zweiten Metallseparators 152, einer anderen Membranelektrodenanordnung 104 und eines anderen dritten Metallseparators 154 aufeinanderfolgend in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
Ein Brenngasfließfeld 52 ist an einer zur Membranelektrodenanordnung 104 weisenden Oberfläche des zweiten Metallseparators 152 ausgebildet, und die Membranelektrodenanordnung 104 ist zwischen dem zweiten Metallseparator 152 und dem ersten Metallseparator 124 aufgenommen. Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 ist an der zur anderen Membranelektrodenanordnung 104 weisenden anderen Oberfläche des zweiten Metallseparators 152 ausgebildet, und die andere Membranelektrodenanordnung 104 ist zwischen dem zweiten Metallseparator 152 und dem dritten Metallseparator 154 aufgenommen.
In der siebten Ausführung ist die Fläche des Kühlmittelfließfelds 54 (um die Hälfte) wesentlich reduziert. Daher wird die Gesamtdimension der Brennstoffzelle 150 in der Stapelrichtung signifikant reduziert.
27 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 160 ist gebildet durch Stapelung von Einheitszellen 162 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung. Jede der Einheitszellen 162 ist gebildet, indem die Membranelektrodenanordnung 104 zwischen einem ersten Kohlenstoffseparator 164 und einem zweiten Kohlenstoffseparator 166 aufgenommen ist.
Die Brennstoffzelle 160 hat im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die Brennstoffzelle 120 gemäß der sechsten Ausführung. Die Außendimensionen des ersten Kohlenstoffseparators 164 sind kleiner als die Außenabmessungen des zweiten Kohlenstoffseparators 166. Ein Dichtungselement 168, das dem Dichtungselement 134 entspricht, ist an dem ersten Kohlenstoffseparator 164 vorgesehen. Eine erste Dichtung 170 und eine zweite Dichtung 172, die dem ersten Dichtungselement 138 und dem zweiten Dichtungselement 140 entsprechen, sind auf dem zweiten Kohlenstoffseparator 166 vorgesehen. Die erste Dichtung 170 und die zweite Dichtung 172 werden nach der Formung an dem zweiten Kohlenstoffseparator 166 angebracht.
In der achten Ausführung mit der obigen Struktur erhält man die gleichen Vorteile wie in den Fällen der ersten bis siebten Ausführungen. Zum Beispiel sind die Dimensionen des ersten Kohlenstoffseparators 164 so weit wie möglich reduziert. Es ist möglich, das Gesamtgewicht und die Gesamtgröße der Brennstoffzelle 160 zu reduzieren.
Die Brennstoffzelle 160 gemäß der achten Ausführung hat im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die Brennstoffzelle 120 gemäß der sechsten Ausführung, und verwendet den ersten Kohlenstoffseparator 164 und den zweiten Kohlenstoffseparator 166. Auch in den ersten bis fünften Ausführungen und den siebten Ausführungen können Kohlenstoffseparatoren angewendet werden.
28 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Brennstoffzelle 200 gemäß einer neunten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 200 wird gebildet, indem Einheitszellen 202a, 202b abwechselnd in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 202a wird gebildet, indem eine erste Membranelektrodenanordnung 204a zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem zweiten Metallseparator 24 aufgenommen wird, und die Einheitszelle 202b wird gebildet, indem eine zweite Membranelektrodenanordnung 204b zwischen dem dritten Metallseparator 26 und dem vierten Metallseparator 28 aufgenommen.
Die erste Membranelektrodenanordnung 204a hat insgesamt eine angenähert viereckige Form. An entgegengesetzten Enden der ersten Membranelektrodenanordnung 204a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind erste ungleichmäßige Abschnitte 206a, die den ersten Kanal 76a bilden, in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der erste ungleichmäßige Abschnitt 206a am einen Ende der ersten Membranelektrodenanordnung 204a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält, von oberen zu unteren Positionen hin, eine erste Verlängerung 37a, einen ersten Ausschnitt 39a, eine zweite Verlängerung 37b und einen zweiten Ausschnitt 39b. Ferner enthält der erste ungleichmäßige Abschnitt 206a am anderen Ende der ersten Membranelektrodenanordnung 20a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, von oberen zu unteren Positionen hin, eine dritte Verlängerung 37c, einen dritten Ausschnitt 39c, eine vierte Verlängerung 37d und einen vierten Ausschnitt 39d.
Die zweite Membranelektrodenanordnung 204b hat die gleiche Struktur wie die erste Membranelektrodenanordnung 204a. An entgegengesetzten Enden der zweiten Membranelektrodenanordnung 204b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind zweite ungleichmäßige Abschnitte 206b, die den zweiten Kanal 76b bilden, in derselben Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der zweite ungleichmäßige Abschnitt 206b am einen Ende der zweiten Membranelektrodenanordnung 204b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält, von oberen zu unteren Positionen hin, einen fünften Ausschnitt 39e, eine fünfte Verlängerung 37e, einen sechsten Ausschnitt 39f und eine sechste Verlängerung 37f. Ferner enthält der zweite ungleichmäßige Abschnitt 206b am anderen Ende der zweiten Membranelektrodenanordnung 204b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, von oberen zu unteren Positionen hin, einen siebten Ausschnitt 39g, eine siebte Verlängerung 37g, einen achten Ausschnitt 39h und eine achte Verlängerung 37h.
In der neunten Ausführung mit der obigen Struktur sind die ersten ungleichmäßigen Abschnitte 206a und die zweiten ungleichmäßigen Abschnitte 206b in der Stapelrichtung voneinander versetzt, und man erhält die gleichen Vorteile wie in den Fällen der obigen Ausführungen.
29 ist eine Ekplosionsperspektivansicht, die eine Brennstoffzelle 210 gemäß einer zehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 210 wird gebildet, indem Einheitszellen 212a, 212b abwechselnd in der mit Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 212a wird gebildet, indem eine erste Membranelektrodenanordnung 214a zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem zweiten Metallseparator 24 aufgenommen wird, und die Einheitszelle 212b wird gebildet, indem eine zweite Membranelektrodenanordnung 214b zwischen dem dritten Metallseparator 26 und dem vierten Metallseparator 28 aufgenommen wird.
Die erste Membranelektrodenanordnung 214a hat insgesamt eine angenähert viereckige Form. An entgegengesetzten Enden der ersten Membranelektrodenanordnung 214a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind erste ungleichmäßige Abschnitte 216a, die den ersten Kanal 76a bilden, in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der erste ungleichmäßige Abschnitt 216a am einen Ende der ersten Membranelektrodenanordnung 104a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält, von oberen zu unteren Positionen hin, einen ersten Ausschnitt 218a, eine erste Verlängerung 220a und einen zweiten Ausschnitt 218b. Ferner enthält der erste ungleichmäßige Abschnitt 216a am anderen Ende der ersten Membranelektrodenanordnung 214a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung, von oberen zu unteren Positionen hin, eine zweite Verlängerung 220b und einen dritten Ausschnitt 218c.
Die zweite Membranelektrodenanordnung 214b hat die gleiche Struktur wie die erste Membranelektrodenanordnung 214a. An entgegengesetzten Enden der zweiten Membranelektrodenanordnung 214b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind zwei der ungleichmäßigen Abschnitte 216, die den zweiten Kanal 76b bilden, in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der zweite ungleichmäßige Abschnitt 216b am einen Ende der zweiten Membranelektrodenanordnung 214b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält, von oberen zu unteren Positionen hin, einen vierten Ausschnitt 218d und eine dritte Verlängerung 220c. Der zweite ungleichmäßige Abschnitt 216b am anderen Ende der zweiten Membranelektrodenanordnung 214b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung enthält, von oberen zu unteren Positionen hin, einen fünften Ausschnitt 218e, eine vierte Verlängerung 220d und einen sechsten Ausschnitt 218f.
Ein erster Sauerstoffhaltiger-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78a ist an dem ersten Ausschnitt 218a zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet. Ein erster Brenngaszufuhrverbindungskanal 79a ist zwischen der zweiten Verlängerung 220b und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet. Ein erster Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführverbindungskanal 78b ist an dem dritten Ausschnitt 218c zwischen dem ersten Metallseparator 22 und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet. Ein erster Brenngasabführverbindungskanal 79b ist zwischen der ersten Verlängerung 220a und dem zweiten Metallseparator 24 ausgebildet.
Ein zweiter Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrverbindungskanal 78c ist an dem vierten Ausschnitt 218d zwischen dem dritten Metallseparator 26 und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet. Eine zweiter Brenngaszufuhrverbindungskanal 79c ist zwischen der vierten Verlängerung 220d und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet. Ein zweiter Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführverbindungskanal 78d ist an dem sechsten Ausschnitt 218f zwischen dem dritten Metallseparator 26 und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet. Ein zweiter Brenngasabführverbindungskanal 79d ist zwischen der dritten Verlängerung 220c und dem vierten Metallseparator 28 ausgebildet.
In der zehnten Ausführung mit der obigen Struktur sind die ersten ungleichmäßigen Abschnitte 216a und die zweiten ungleichmäßigen Abschnitte 216b in der Stapelrichtung voneinander versetzt, und man erhält die gleichen Vorteile wie in den Fällen der obigen Ausführungen.
30 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Brennstoffzelle 230 gemäß einer elften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 230 wird gebildet, indem Einheitszellen 232a, 232b abwechselnd in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 232a wird gebildet, indem eine erste Membranelektrodenanordnung 234a zwischen einem ersten Metallseparator 236 und einem zweiten Metallseparator 238 aufgenommen wird, und die Einheitszelle 232b wird gebildet, indem eine zweite Membranelektrodenanordnung 214b zwischen einem dritten Metallseparator 240 und einem vierten Metallseparator 242 aufgenommen wird.
Die erste Membranelektrodenanordnung 234a hat insgesamt eine angenähert viereckige Form. An entgegengesetzten Enden der ersten Membranelektrodenanordnung 234a in der mit dem Pfeil angegebenen Richtung sind erste ungleichmäßige Abschnitte 236a, die den ersten Kanal 76a bilden, in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche vorgesehen. Die ersten ungleichmäßigen Abschnitte 236 enthalten eine erste Verlängerung 37a, einen ersten Ausschnitt 39a, eine zweite Verlängerung 37b, einen zweiten Ausschnitt 39b, eine dritte Verlängerung 37c, einen dritten Ausschnitt 39c, eine vierte Verlängerung 37d sowie einen vierten Ausschnitt 39d, die an entgegengesetzten Enden der ersten Membranelektrodenanordnung 234a in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung vorgesehen sind.
Die zweite Membranelektrodenanordnung 234b hat die gleiche Struktur wie die erste Membranelektrodenanordnung 234a. An entgegengesetzten Enden der zweiten Membranelektrodenanordnung 234b in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung ist ein zweiter ungleichmäßiger Abschnitt 236b, der den zweiten Kanal 76b bildet, entlang der Elektrodenoberfläche vorgesehen. Der zweite ungleichmäßige Abschnitt 236b enthält einen fünften Ausschnitt 39e, eine fünfte Verlängerung 37e, einen sechsten Ausschnitt 39f sowie eine sechste Verlängerung 37f, einen siebten Ausschnitt 39g, eine siebte Verlängerung 37g, einen achten Ausschnitt 39h und eine achte Verlängerung 37h. Die erste Verlängerung 37a bis zur achten Verlängerung 37h und der erste Ausschnitt 39a bis zum achten Ausschnitt 39h sind in einer vorbestimmten Richtung von der vertikalen Richtung aus geneigt.
Die Form des ersten Metallseparators 236 bis zum vierten Metallseparator 242 entsprechen den Formen der ersten Membranelektrodenanordnung 234a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 234b. Ähnlich entsprechen die Formen des Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgangs 46a, des Kühlmittelzufuhrdurchgangs 48a, des Brenngasabführdurchgangs 50b, des Brenngasabführdurchgangs 50a, des Kühlmittelabführdurchgangs 48b und des Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgangs 46b den Formen der ersten Membranelektrodenanordnung 234a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 234b.
In der elften Ausführung mit der obigen Struktur sind der erste ungleichmäßige Abschnitt 236a und der zweite ungleichmäßige Abschnitt 236b in der Stapelrichtung voneinander versetzt, und man erhält die gleichen Vorteile wie in den Fällen der oben beschriebenen Ausführungen.
31 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 300 gemäß einer zwölften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 300 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Einheitszellen 302 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 302 wird gebildet, indem die Membranelektrodenanordnung (Elektrolytelektrodenanordnung) 304 zwischen einem ersten Metallseparator 306 und einem zweiten Metallseparator 308 aufgenommen wird (siehe 31 und 32). Die Membranelektrodenanordnung enthält eine Festpolymerelektrolytmembrane 30, eine Kathode 32 und eine Anode 34. Die Außendimensionen (Oberflächenausdehnungen) der Festpolymerelektrolytmembrane 30, der Kathode 32 und der Anode 34 sind die gleichen.
Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 306 sind kleiner als die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 308. In der Tat hat der erste Metallseparator 306 die gleiche Struktur wie der erste Metallseparator 22 der ersten Ausführung.
Ein Dichtungselement 310 ist integral mit dem zweiten Metallseparator 308 ausgebildet. Wie in den 31 und 33 gezeigt, enthält das Dichtungselement 310 auf der Oberfläche 24a eine erste Dichtung 310a, eine zweite Dichtung 310b und eine dritte Dichtung 310c, die um das erste Brenngasfließfeld 52 herum ausgebildet sind.
Die erste Dichtung 310a zum Verhindern einer Leckage des Brenngases kontaktiert das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 30, die zweite Dichtung 310b zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases kontaktiert das Außenende des ersten Metallseparators 306, und die dritte Dichtung 310c zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels kontaktiert den zweiten Metallseparator 308 der benachbarten Einheitszelle 302 (siehe 31).
In der zwölften Ausführung mit der obigen Struktur wird, anstelle der Anwendung der ersten Membranelektrodenanordnung 20a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 20b, deren Elektroden gemäß der ersten Ausführung unterschiedliche Größen haben (als gestufte MEA bezeichnet), die Membranelektrodenanordnung 304, deren Elektroden die gleiche Größe wie die Festpolymerelektrolytmembrane haben, angewendet. Auch in dieser Struktur erhält man die gleichen Vorteile wie im Falle der oben beschriebenen Ausführungen.
34 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 320 gemäß einer dreizehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 320 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Einheitszellen 322 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gestapelt werden. Die Einheitszelle 322 enthält eine Membranelektrodenanordnung 304, einen ersten Metallseparator 324 und einen zweiten Metallseparator 326. Die Außendimensionen des ersten Metallseparators 324 sind im Wesentlichen die gleichen wie die Außendimensionen des zweiten Metallseparators 326.
Wie in den 35 bis 37 gezeigt, erstrecken sich ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a, ein Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a, ein Brenngasabführdurchgang 50b, ein Brenngaszufuhrdurchgang 50a, ein Kühlmittelabführdurchgang 48b und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b durch den ersten Metallseparator 324 und den zweiten Metallseparator 326 in der mit dem Pfeil A angegebenen Stapelrichtung.
Wie in den 34 und 36 gezeigt, ist eine äußere Dichtung (dritte Dichtung) 328 integral auf einer Oberfläche 22b des ersten Metallseparators 324 um das Kühlmittelfließfeld 54 herum, entlang dem Außenende der Oberfläche 22b ausgebildet.
Wie in 37 gezeigt, ist ein Dichtungselement 330 integral auf einer Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 326 um das Brenngasfließfeld 52 herum ausgebildet. Das Dichtungselement 330 enthält eine innere Dichtung (erste Dichtung) 330a und eine Zwischendichtung (zweite Dichtung) 330b. Die innere Dichtung 330a kontaktiert das Außenende der Membranelektrodenanordnung 304 (siehe 34). Die Zwischendichtung 330b kontaktiert das Außenende des ersten Metallseparators 324 derart, dass die Membranelektrodenanordnung 304 zwischen der Zwischendichtung 330b und dem ersten Metallseparator 324 aufgenommen wird.
Wie in 37 gezeigt, dichtet das Dichtungselement 330 den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b, den Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a und die Kühlmittelabführdurchgang 48b ab, während es eine Verbindung des Brenngaszufuhrdurchgangs 50a und des Brenngasabführdurchgangs 50b mit dem Brenngasfließfeld 52 erlaubt.
Nuten 342a sind durch das Dichtungselement 330 zwischen dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a und dem Brenngasfließfeld 52 ausgebildet, und Nuten 342b sind durch das Dichtungselement 330 zwischen dem Brenngasabführdurchgang 50b und dem Brenngasfließfeld 52 ausgebildet. Nuten 344a sind nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a ausgebildet, und Nuten 344b sind nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b ausgebildet.
In der Brennstoffzelle 320 mit der obigen Struktur fließt das sauerstoffhaltige Gas, das dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 46a jeder Einheitszelle 322 zugeführt wird, durch die Nuten 344a des zweiten Metallseparators 326 (siehe 37), und das sauerstoffhaltige Gas wird dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 des ersten Metallseparators 324 zugeführt (siehe 35). Das sauerstoffhaltige Gas, das bei der Reaktion in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 verbraucht wird, fließt durch die Nuten 344b des zweiten Metallseparators 326, und das sauerstoffhaltige Gas wird zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 46b abgegeben.
Wie in 37 gezeigt, fließt das Brenngas, das dem Brenngaszufuhrdurchgang 50a jeder Einheitszelle 322 zugeführt wird, durch die Nuten 342a, und das Brenngas wird dem Brenngasfließfeld 52 zugeführt. Das in dem Brenngasfließfeld 52 verbrauchte Brenngas wird durch die Nuten 342b zu dem Brenngasabführdurchgang 50b abgeführt.
Das dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 48a zugeführte Kühlmittel wird dem Kühlmittelfließfeld 54 zugeführt (siehe 36). Nachdem das Kühlmittel zur Kühlung jeder Einheitszelle 322 verbraucht worden ist, wird das Kühlmittel zu dem Kühlmittelabführdurchgang 48b abgegeben.
In der dreizehnten Ausführung ist die äußere Dichtung 328 zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels in dem Außenende des ersten Metallseparators 324 vorgesehen, und ist die innere Dichtung 330 zum Verhindern einer Leckage des Brenngases und die Zwischendichtung 330b zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases sind in dem zweiten Metallseparator 326 vorgesehen. Die äußere Dichtung 328, die innere Dichtung 330a und die Zwischendichtung 330b sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt. Somit erhält man die gleichen Vorteile wie in den Fällen der oben beschriebenen Ausführungen. Zum Beispiel wird die Dimension der Brennstoffzelle 320 in der Stapelrichtung so weit wie möglich reduziert, und wird die Gesamtgröße der Brennstoffzelle 320 leicht reduziert.
38 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 350 gemäß einer vierzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 350 enthält eine Mehrzahl von Einheitszellen 352. Jede der Einheitszellen 352 wird gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung 304 zwischen einem ersten Metallseparator 354 und einem zweiten Metallseparator 356 gestapelt wird.
Wie in 39 gezeigt, ist das Dichtungselement 358 integral auf der Oberfläche 322a des ersten Metallseparators 354 um das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 40 herum ausgebildet. Das Dichtungselement 358 enthält eine innere Dichtung (zweite Dichtung) 358a sowie eine Zwischendichtung (erste Dichtung) 358b. Die innere Dichtung 358a kontaktiert das Außenende der Kathode 32 der Membranelektrodenanordnung 304. Die Zwischendichtung 358b ist um die Membranelektrodenanordnung 304 herum ausgebildet und kontaktiert den zweiten Metallseparator 356 (siehe 38).
Die äußere Dichtung (dritte Dichtung) 360 ist integral an der Oberfläche 24b des zweiten Metallelements 356 um das Kühlmittelfließfeld 54 herum ausgebildet, um das Außenende der Oberfläche 24b herum.
In der vierzehnten Ausführung sind die innere Dichtung 358a zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases, die Zwischendichtung 358b zum Verhindern einer Leckage des Brenngases und die äußere Dichtung 360 zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels in der Stapelrichtung voneinander versetzt. Somit erhält man die gleichen Vorteile wie in den Fällen der oben beschriebenen Ausführungen.
40 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer fünfzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 370 enthält Einheitszellen 372, die jeweils eine Membranelektrodenanordnung 374, einen ersten Metallseparator 324 und einen zweiten Metallseparator 326 enthalten. Wie in den 40 und 41 gezeigt, enthält die Membranelektrodenanordnung 374 eine Anode 34c, deren Oberflächenausdehnung kleiner ist als die Oberflächenausdehnungen der Festpolymerelektrolytmembrane 30 und der Kathode 32.
In der fünfzehnten Ausführung mit der obigen Struktur erhält man die gleichen Vorteile wie im Falle der Brennstoffzelle 320 gemäß der dreizehnten Ausführung.
42 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 380 gemäß einer sechzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 380 enthält Einheitszellen 382, die jeweils gebildet werden, indem eine Membranelektrodenanordnung 304 zwischen dem ersten Metallseparator 306 und dem zweiten Metallseparator 384 aufgenommen wird (siehe 42 und 43). Ein Dichtungselement 330, das eine innere Dichtung 330a und eine Zwischendichtung 330b aufweist, ist integral auf der Oberfläche 24a des zweiten Metallseparators 384 ausgebildet. Eine äußere Dichtung (dritte Dichtung) 386 ist integral auf der Oberfläche 24b des zweiten Metallseparators 384 ausgebildet. Die äußere Dichtung (dritte Dichtung) 386 kontaktiert die Oberfläche 24a des benachbarten zweiten Metallseparators 384, um eine Leckage des Kühlmittels zu verhindern (siehe 42).
In der sechzehnten Ausführung mit der obigen Struktur sind die innere Dichtung 330a, die Zwischendichtung 330b und die äußere Dichtung 386 in der Stapelrichtung voneinander versetzt, und man erhält die gleichen Vorteile wie in den Fällen der oben beschriebenen Ausführungen.
44 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 390 gemäß einer siebzehnten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Brennstoffzelle 390 enthält Einheitszellen 392, die jeweils eine Membranelektrodenanordnung 304, einen ersten Kohlenstoffseparator 394 und einen zweiten Kohlenstoffseparator 396 aufweisen. Eine erste Dichtung 398 als inneres Dichtungselement und eine zweite Dichtung 400 als Zwischendichtungselement sind auf der Oberfläche 24a des zweiten Kohlenstoffseparators 396 ausgebildet. Die erste Dichtung 398 kontaktiert das Außenende der Membranelektrodenanordnung 304 zum Verhindern einer Leckage des Brenngases, und die zweite Dichtung 400 kontaktiert den ersten Kohlenstoffseparator 394 derart, dass die Membranelektrodenanordnung 304 zwischen der zweiten Dichtung 400 und dem ersten Kohlenstoffseparator 394 aufgenommen ist, um eine Leckage des sauerstoffhaltigen Gases zu verhindern.
Eine dritte Dichtung 402 zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels ist auf der Oberfläche 24b des zweiten Kohlenstoffseparators 396 ausgebildet. Die dritte Dichtung 402 kontaktiert das Außenende des ersten Kohlenstoffseparators 394 der benachbarten Einheitszelle 392, um eine Leckage dse Kühlmittels zu verhindern.
Die erste Dichtung 398, die zweite Dichtung 400 und die dritte Dichtung 402 sind in der Stapelrichtung voneinander versetzt, und man erhält die gleichen Vorteile wie in den Fällen der oben beschriebenen Ausführungen. Zum Beispiel wird die Gesamtdimension der Brennstoffzelle 390 in der Stapelrichtung so weit wie möglich reduziert.

Claims

Brennstoffzelle, die eine Elektrolytelektrodenanordnung (20a) sowie erste und zweite Separatoren (22, 24), die die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen sich aufnehmen, aufweist, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) eine erste Elektrode (32a), eine zweite Elektrode (34a) und einen zwischen der ersten Elektrode (32a) und der zweiten Elektrode (34a) eingefügten Elektrolyten (30a) enthält, wobei die zweite Elektrode (34a) eine Oberflächenausdehnung hat, die kleiner ist als jene der ersten Elektrode (32a), wobei der erste Separator (22) zu der ersten Elektrode (32a) weist, wobei der zweite Separator (24) Außendimensionen hat, die sich von jenen des ersten Separators (22) unterscheiden, und zu der zweiten Elektrode (34a) weist, wobei ein erstes Dichtungselement (62a), ein zweites Dichtungselement (62b) und ein drittes Dichtungselement (62c) integral auf einer Oberfläche des zweiten Separators (24) oder auf einer Oberfläche des ersten Separators (22) ausgebildet sind; wobei das erste Dichtungselement (62a) den Elektrolyten (30a) am Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung (20a) kontaktiert; wobei das zweite Dichtungselement (62b) ein Außenende des ersten Separators (22) oder des zweiten Separators (24) kontaktiert; und ein drittes Dichtungselement (62c) ein Außenende des benachbarten zweiten Separators (24) oder ein Außenende des benachbarten ersten Separators (22) kontaktiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin Fluiddurchgänge, die einen Reaktionsgaszufuhrdurchgang (46a), einen Reaktionsgasabführdurchgang (46b), einen Kühlmittelzufuhrdurchgang (48a) und einen Kühlmittelabführdurchgang (48b) enthalten, sich in Stapelrichtung durch einen des ersten Separators (22) und des zweiten Separators (24), an Positionen außerhalb des Außenendes des anderen des ersten Separators (22) und des zweiten Separators (24), der die kleineren Außendimensionen hat, erstrecken.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, worin eine Öffnung (58a) in dem zweiten Separator (24) oder dem ersten Separator (22) vorgesehen ist, und ein Reaktionsgasfließfeld (52) zum Zuführen eines Reaktionsgases entlang einer Elektrodenoberfläche mit dem Reaktionsgaszufuhrdurchgang (50a) und dem Reaktionsgasabführdurchgang (50b) durch die Öffnung (58a) verbunden ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Außendimensionen des zweiten Separators (24) größer sind als jene des ersten Separators (22); wobei das erste Dichtungselement (62a), das zweite Dichtungselement (62b) und das dritte Dichtungselement (62c) integral mit dem zweiten Separator (24) ausgebildet sind; wobei das erste Dichtungselement (62a) eine innere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines Brenngases bildet; wobei das zweite Dichtungselement (62b) eine Zwischendichtung zum Verhindern einer Leckage eines sauerstoffhaltigen Gases bildet; und das dritte Dichtungselement (62c) eine äußere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines Kühlmittels bildet.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Außendimensionen des ersten Separators (83) größer sind als jene des zweiten Separators (84); wobei das erste Dichtungselement (90b), das zweite Dichtungselement (90a) und das dritte Dichtungselement (90c) integral mit dem ersten Separator (83) ausgebildet sind; wobei das zweite Dichtungselement (90a) eine innere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines Kühlmittels bildet; wobei das erste Dichtungselement (90b) eine Zwischendichtung zum Verhindern einer Leckage eines Brenngases bildet; und wobei das dritte Dichtungselement (90c) eine äußere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines sauerstoffhaltigen Gases bildet.
Brennstoffzelle, die eine Elektrolytelektrodenanordnung (20a) und erste und zweite Separatoren (22, 24), die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen sich aufnehmen, aufweist, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) ein Paar von Elektroden (32a) und einen zwischen die Elektroden (32a) eingefügten Elektrolyten (30a) enthält, wobei Außendimensionen des ersten Separators (22) kleiner sind als jene des zweiten Separators (24); wobei Fluiddurchgänge, die zumindest einen Brenngaszufuhrdurchgang (50a), einen Brenngasabführdurchgang (50b), einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang (46a), einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang (46b) enthalten, sich in Stapelrichtung an Positionen außerhalb eines Außenendes des ersten Separators durch ein Außenende des zweiten Separators (24) hindurcherstrecken.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, worin der erste Separator (22) ein erstes Reaktionsgasfließfeld (40) aufweist, um zu erlauben, dass eines eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases als ein Reaktionsgas entlang einer Elektrodenoberfläche fließt; wobei der zweite Separator (24) ein zweites Reaktionsgasfließfeld (52) aufweist, um zu erlauben, dass das andere des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases als das andere Reaktionsgas entlang der anderen Elektrodenoberfläche fließt; und wobei der erste Separator (22) einen Kanal (75) aufweist, um das eine Reaktionsgas von einem vorbestimmten Fluiddurchgang dem ersten Reaktionsgasfließfeld (40) zuzuführen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, worin der Kanal (146a) den vorbestimmten Fluiddurchgang und das erste Reaktionsgasfließfeld (40) durch eine Nut (132a), die in dem Außenende des ersten Separators (124) ausgebildet ist, verbindet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7 oder 8, worin der Kanal (75) ein Durchgangsloch (60a) aufweist, das mit dem vorbestimmten Fluiddurchgang verbunden ist und sich in der Stapelrichtung durch den zweiten Separator (24) erstreckt.
Brennstoffelle, die eine Elektrolytelektrodenanordnung (20a) und erste und zweite Metallseparatoren (22, 24), die die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen sich aufnehmen, aufweist, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) ein Paar von Elektroden (32a) und einen zwischen den Elektroden (32a) eingefügten Elektrolyten (30a) enthält, wobei Außendimensionen des zweiten Metallseparators (24) größer sind als jene des ersten Metallseparators (22); wobei das Metall des ersten Metallseparators (22) über die Gesamtoberfläche exponiert ist, und ein zweites Dichtungselement (62) integral nur auf dem zweiten Metallseparator (24) ausgebildet ist; wobei das Dichtungselement (62) auf einer zu der Elektrode (32a) weisenden Oberfläche des zweiten Metallseparators (24) ausgebildet ist; wobei das Dichtungselement (62) eine innere Dichtung (62a), die ein Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung (20a) kontaktiert, sowie eine äußere Dichtung (62c), die ein Außenende des benachbarten zweiten Metallelements (24) kontaktiert, enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, worin das Dichtungselement eine Dichtung (119a) enthält, die auf der Oberfläche des zweiten Metallseparators (116) vorgesehen ist, die der zur Elektrode (32a) weisenden Oberfläche entgegengesetzt ist, sodass die Dichtung (119a) den benachbarten ersten Metallseparator (106) kontaktiert und in Stapelrichtung mit der inneren Dichtung (118) überlappt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10 oder 11, worin das Paar von Elektroden eine erste Elektrode (32a) und eine zweite Elektrode (34a) aufweist; wobei die zweite Elektrode (34a) eine kleinere Oberflächenausdehnung als jene der ersten Elektrode (32a) aufweist; wobei der erste Metallseparator (22) zu der ersten Elektrode (32a) weist; wobei der zweite Metallseparator (24) Außendimensionen hat, die größer sind als jene des ersten Metallseparators (22), und zu der zweiten Elektrode (34a) weist; wobei das Dichtungselement (32) auf einer Oberfläche des zweiten Metallseparators (24) vorgesehen ist und eine erste Dichtung (62a), eine zweite Dichtung (62b) und eine dritte Dichtung (62c) enthält; wobei die erste Dichtung (62a) den Elektrolyten (30a) am Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung kontaktiert; wobei die zweite Dichtung (62b) ein Außenende des ersten Metallseparators (22) kontaktiert; und wobei die dritte Dichtung (62c) ein Außenende des benachbarten zweiten Metallseparators (24) kontaktiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, worin die erste Dichtung (62a) eine innere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines Brenngases bildet; wobei die zweite Dichtung (62b) eine Zwischendichtung zum Verhindern einer Leckage eines sauerstoffhaltigen Gases bildet; und die dritte Dichtung (62c) eine äußere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines Kühlmittels bildet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, worin das Paar der Elektroden eine erste Elektrode (32a) und eine zweite Elektrode (34a) aufweist; wobei die zweite Elektrode (34a) eine kleinere Oberflächenausdehnung als jene der ersten Elektrode (32a) aufweist; wobei der erste Metallseparator (83a) zur zweiten Elektrode (34a) weist; wobei der zweite Metallseparator (34a) Außendimensionen hat, die größer sind als jene des ersten Metallseparators (33a), und zur ersten Elektrode (32a) weist; wobei das Dichtungselement (90) auf einer Oberfläche des zweiten Metallseparators (84a) vorgesehen ist und eine erste Dichtung (90b), eine zweite Dichtung (90c) und eine dritte Dichtung (90a) enthält; wobei die dritte Dichtung (90a) ein Außenende des benachbarten ersten Metallseparators (83a) kontaktiert; wobei die erste Dichtung (90b) den Elektrolyten (30a) am Außenende der Elektrolytelektrodenanordnung (20a) derart kontaktiert, dass der erste Metallseparator (83a) zwischen der Elektrolytelektrodenanordnung (20a) und dem Dichtungselement (90) aufgenommen ist; und wobei die zweite Dichtung (90c) ein Außenende des benachbarten zweiten Metallseparators (84a) kontaktiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, worin die dritte Dichtung (90a) eine innere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines Kühlmittels bildet, die erste Dichtung (90b) eine Zwischendichtung zum Verhindern einer Leckage eines Brenngases bildet und die zweite Dichtung (90c) eine äußere Dichtung zum Verhindern einer Leckage eines sauerstoffhaltigen Gases bildet.
Brennstoffzelle, die gestapelte Einheitszellen (12a) aufweist, die jeweils eine Elektrolytelektrodenanordnung (20a) und einen ersten Separator (22) und einen zweiten Separator (24), die die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen sich aufnehmen, enthalten, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) eine Anode (34a), eine Kathode (32a) und einen zwischen der Anode (34a) und der Kathode (32a) eingefügten Elektrolyten (130a) enthält, wobei ein Brenngasfließfeld (52) zum Zuführen eines Brenngases entlang der Anode (34a) und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (40) zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases entlang der Kathode (32a) in der Einheitszelle (12a) ausgebildet sind, wobei ein Kühlmittelfließfeld (54) zum Zuführen eines Kühlmittels entlang einer Elektrodenoberfläche zwischen den Einheitszellen (12a) mit Intervallen einer jeweiligen vorbestimmten Anzahl der Einheitszellen (12a) ausgebildet ist, worin zumindest der erste Separator (22) oder der zweite Separator (24) eine erste Dichtung (62a) zum Verhindern einer Leckage des Brenngases, eine zweite Dichtung (62b) zum Verhindern einer Leckage des sauerstoffhaltigen Gases sowie eine dritte Dichtung (62c) zum Verhindern einer Leckage des Kühlmittels enthält; und wobei die erste Dichtung (62a), die zweite Dichtung (62b) und die dritte Dichtung (62c) in Stapelrichtung voneinander versetzt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, worin die erste Dichtung (62a) eine innere Dichtung bildet, die zweite Dichtung (62b) eine Zwischendichtung bildet und die dritte Dichtung (62c) eine äußere Dichtung bildet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, worin die dritte Dichtung (90a) eine innere Dichtung bildet, die erste Dichtung (90b) eine Zwischendichtung bildet und das zweite Dichtungselement (90c) eine äußere Dichtung bildet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, worin die zweite Dichtung (358a) eine innere Dichtung bildet, die erste Dichtung (358b) eine Zwischendichtung bildet und die dritte Dichtung (358c) eine äußere Dichtung bildet.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 19, worin ein Brenngaszufuhrdurchgang (50a), ein Brenngasabführdurchgang (50b), ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang (46a), ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang (46b), ein Kühlmittelzufuhrdurchgang (48a) und ein Kühlmittelabführdurchgang (48b) sich in der Stapelrichtung durch ein Außenende des ersten Separators (22) und/oder des zweiten Separators (54) erstrecken.
Brennstoffzelle, die durch Stapeln von Einheitszellen (12a) gebildet ist, die jeweils durch Aufnahme einer Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen einem ersten Separator (22) und einem zweiten Separator (24) ausgebildet sind, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) jeweils ein Paar von Elektroden (34a) und einen zwischen den Elektroden (34a) eingefügten Elektrolyten (30a) enthält, wobei ein Reaktionsgasfließfeld (40) zum Zuführen eines Reaktionsgases zumindest entlang einer Elektrodenoberfläche in der Brennstoffzelle ausgebildet ist, wobei sich ein Reaktionsgasdurchgang (46) in Stapelrichtung durch die Brennstoffzelle erstreckt; worin die Elektrolytelektrodenanordnung (20a) einen ungleichmäßigen Abschnitt (38a) in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche aufweist und der ungleichmäßige Abschnitt (38a) einen Verbindungskanal (76a) bildet, der das Reaktionsgasfließfeld (40) mit dem Reaktionsgasdurchgang (46a) verbindet; und ungleichmäßige Abschnitte (38a) von in der Stapelrichtung benachbarten Elektrolytelektrodenanordnungen (20a) in der Stapelrichtung voneinander versetzt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 21, worin der Verbindungskanal (76a) einen ersten Reaktionsgasverbindungskanal (78a), der an einem Ausschnitt (39a) des ungleichmäßigen Abschnitts (38) zwischen dem ersten Separator (22) und dem zweiten Separator (24) ausgebildet ist, sowie einen zweiten Reaktionsgasverbindungskanal (80), der zwischen einer Verlängerung (37c) des ungleichmäßigen Abschnitts und dem ersten Separator (22) oder dem zweiten Separator (24) ausgebildet ist, enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 21 oder 22, worin ein Reaktionsgaszufuhrdurchgang (46a) des Reaktionsgasdurchgangs, ein Reaktionsgasabführdurchgang (46b) des Reaktionsgasdurchgangs, ein Kühlmittelzufuhrdurchgang (48a) und ein Kühlmittelabführdurchgang (48b) sich in der Stapelrichtung durch einen des zweiten Separators (24) und des ersten Separators (22), an Positionen außerhalb des Außenendes des anderen des ersten Separators (22) und des zweiten Separators (24), der die kleineren Außendimensionen hat, erstrecken.
Brennstoffzelle nach Anspruch 23, worin Öffnungen (72a, 72b) in dem zweiten Separator (24) oder dem ersten Separator (22) in der Stapelrichtung ausgebildet sind, und die Öffnungen (72a, 72b) den Verbindungskanal (78a) mit dem Reaktionsgaszufuhrdurchgang (46a) und dem Reaktionsgasabführdurchgang (46b) verbinden.
Brennstoffzelle, die durch abwechselndes Stapeln von ersten und zweiten Einheitszellen (12a, 12b) gebildet ist, wobei die erste Einheitszelle (12a) durch Aufnahme einer ersten Elektrolytelektrodenanordnung (20a) zwischen einem ersten Separator (22) und einem zweiten Separator (24) ausgebildet ist, wobei die zweite Einheitszelle (12b) durch Aufnahme einer zweiten Elektrolytelektrodenanordnung (20b) zwischen einem dritten Separator (26) und einem vierten Separator (28) ausgebildet ist, wobei die erste Elektrolytelektrodenanordnung (20a) und die zweite Elektrolytelektrodenanordnung (20b) jeweils ein Paar von Elektroden (34a) und einen zwischen den Elektroden (34a) eingefügten Elektrolyten (30a) enthält, wobei ein Reaktionsgasfließfeld (40) zum Zuführen eines Reaktionsgases zumindest entlang einer Elektrodenoberfläche in der Brennstoffzelle ausgebildet ist, wobei sich ein Reaktionsgasdurchgang (46a) in Stapelrichtung durch die Brennstoffzelle erstreckt, worin die erste Elektrolytelektrodenanordnung (12a) einen ersten ungleichmäßigen Abschnitt (38a) in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche aufweist und der erste ungleichmäßige Abschnitt (38a) einen ersten Verbindungskanal (76a) bildet, der das Reaktionsgasfließfeld (40) zum Zuführen des Reaktionsgases entlang der Elektrodenoberfläche mit dem Reaktionsgasdurchgang (46a) verbindet; die zweite Elektrolytelektrodenanordnung (20b) einen zweiten ungleichmäßigen Abschnitt (38b) in der gleichen Ebene wie die Elektrodenoberfläche aufweist und der zweite ungleichmäßige Abschnitt (38b) einen zweiten Verbindungskanal (76b) bildet, der das Reaktionsgasfließfeld (64) zum Zuführen des Reaktionsgases entlang der Elektrodenoberfläche mit dem Reaktionsgasdurchgang (46b) verbindet; und der erste ungleichmäßige Abschnitt (38a) und der zweite ungleichmäßige Abschnitt (38b) in der Stapelrichtung voneinander versetzt sind.