DE112007002486T5

DE112007002486T5 - Brennstoffzelle, Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle und Einheitszellenbaugruppe

Info

Publication number: DE112007002486T5
Application number: DE112007002486T
Authority: DE
Inventors: Hiroo Yoshikawa; Fumishige Shizuku; Kenji Sato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2027-11-13
Also published as: US20100316934A1; CA2672969A1; CA2672969C; JP5186754B2; DE112007002486B4; CN101542793B; JP2008123883A; WO2008059980A1; CN101542793A; US8227141B2

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, die gestapelte Einheitszellenbestandteile hat, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anordnen des Einheitszellenbestandteils in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators; und
Formen eines aus einem elastischen Material hergestellten Dichtungsbauteils derart, dass das Dichtungsbauteil an einem zweiten Bereich, der den ersten Bereich an der ersten Fläche des Separators beinhaltet, anhaftet oder mit diesem innig befestigt ist, und dass das Dichtungsbauteil mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle und eine Einheitszellenbaugruppe.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennstoffzelle, beispielsweise eine Festpolymerbrennstoffzelle, wandelt chemische Energie einer Substanz direkt in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion um, die durch Zuführen von jeweiligen Reaktantgasen (ein Brennstoffgas, das Wasserstoff enthält, und ein Oxidationsgas, das Sauerstoff enthält) zu zwei Elektroden (eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode) hervorgerufen wird, die gegenüber an jeweils einer Seite einer Elektrolytmembran angeordnet sind. Ein bekannter prinzipieller Aufbau für derartige Brennstoffzellen ist ein sogenannter Stapelaufbau, der aus Einheitszellenbestandteilen, die jeweils eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) einer ebenen Form haben, und Separatoren zusammengesetzt ist, die in der Stapelrichtung in abwechselnden Schichten gestapelt und miteinander verbunden sind.
Auf dem Gebiet derartiger Brennstoffzellen eines Stapelaufbaus ist eine Technologie bekannt, die ein Integralformen eines Dichtungsbauteils an den Rändern der Einheitszellenbestandteile beinhaltet, die jeweils aus einer Membranelektrodenbaugruppe bestehen, die von jeder Seite durch Gasdiffusionsschichten sandwichartig umgeben ist.
Es gibt eine andere bekannte Technologie, die ein Integralformen des Separators, der Gasdiffusionsschicht und des Dichtungsbauteils beinhaltet. Unter Verwendung dieser Technologien ist es möglich geworden, über die Wirkung von Dichtungsbauteilen ein Entweichen des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und des Kühlmediums von der Brennstoffzelle zu der Außenseite zu verhindern und ein Mischen von diesen zu verhindern.
Jedoch kann von den herkömmlichen Technologien, die vorstehend beschrieben sind, nicht gesagt werden, dass sie eine ausreichende Erleichterung beim Zusammenbauen und Auseinanderbauen des Brennstoffzellenstapels bieten. Wo beispielsweise die Technologie des Integralformens von Dichtungsbauteilen an den Rändern von Einheitszellenbestandteilen verwendet wird, war es während des Zusammenbauvorgangs notwendig, die Separatoren und die Einheitszellenbestandteile abwechselnd zu stapeln; wohingegen es bei der Technologie des Integralformens des Separators, der Gasdiffusionsschicht und des Dichtungsbauteils notwendig war, die Separator-Gasdiffusionsschichtbaugruppen und die MEAs abwechselnd zu stapeln.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht des vorstehenden Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die das Zusammenbauen und/oder Auseinanderbauen einer Brennstoffzelle zu erleichtern, die gestapelte Einheitszellenbestandteile aufweist, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind.
Die vorliegende Erfindung sieht in einer ersten Form, die sich mit dem vorstehenden Problem befasst, ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle vor, die gestapelte Einheitszellenbestandteile hat, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind. Das Herstellungsverfahren gemäß der ersten Form umfasst die folgenden Schritte: Anordnen des Einheitszellenbestandteils in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators; und Formen eines Dichtungsbauteils, das aus elastischem Material gemacht ist, derart, dass das Dichtungsbauteil an einem zweiten Bereich anhaftet oder innig befestigt ist, der den ersten Bereich an der ersten Fläche des Separators beinhaltet, und dass das Dichtungsbauteil mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt wird.
Eine zweite Form der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle vor, die gestapelte Einheitszellenbestandteile hat, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind. Das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Form hat die folgenden Schritte: Anordnen des Separators in einem Formwerkzeug; Anordnen des Einheitszellenbestandteils in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators; und Formen eines Dichtungsbauteils durch Spritzgießen oder Formpressen eines Formmaterials in einem Raum, der durch einen zweiten Bereich, der den ersten Bereich an der ersten Fläche des Separators umgibt, durch einen Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils und durch das Formwerkzeug definiert ist.
Gemäß den Herstellungsverfahren, die vorstehend dargelegt sind, wird das Dichtungsbauteil in solch einer Weise geformt, um an der Fläche des Separators anzuhaften oder innig befestigt zu sein und um mit dem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt zu sein, wodurch die Anzahl von Prozessschritten verringert werden kann und ein Zusammenbau der Brennstoffzelle erleichtert werden kann.
In dem Herstellungsverfahren gemäß einer der vorstehenden Formen kann das Dichtungsbauteil in dem Dichtungsbauteilformschritt ausgebildet werden, um mit einer Haftfestigkeit von 0,01 N/mm oder mehr pro Einheitslänge von Dichtungslinien anzuhaften oder innig befestigt zu sein. Dadurch wird es möglich, die Höhe einer Befestigungskraft zu verringern, die notwendig ist, um die Brennstoffzelle in der Stapelrichtung in solch einer Weise zu befestigen, um eine Dichtung sicherzustellen.
Das Herstellungsverfahren gemäß einer der vorstehenden Formen kann des Weiteren einen Schritt des Heißpressens des Einheitszellenbestandteils begleitend zu dem Dichtungsbauteilformschritt beinhalten. Dadurch kann die Anzahl der Brennstoffzellenherstellungsschritte weiter verringert werden.
In dem Herstellungsverfahren gemäß einer der vorstehenden Formen kann der Einheitszellenbestandteil eine Elektrolytschicht mit an beiden Flächen angeordneten Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten über den Katalysatorschichten an den beiden Flächen der Elektrolytschicht haben. Der Einheitszellenbestandteil kann des Weiteren poröse Körper haben, die über der Diffusionsschicht und der Katalysatorschicht an den beiden Flächen der Elektrolytschicht angeordnet sind.
Das Herstellungsverfahren gemäß einer der vorstehenden Formen kann des Weiteren die Schritte des Stapelns einer Vielzahl von Baugruppen, die durch den Stopp des Formens des Dichtungsbauteils erhalten werden; und des Befestigens der Vielzahl von gestapelten Baugruppen beinhalten. Als eine Folge kann die Brennstoffzelle leicht hergestellt werden.
Eine dritte Form der vorliegenden Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor. Die Brennstoffzelle gemäß der dritten Form hat Folgendes: einen ersten Separator; einen zweiten Separator; einen Einheitszellenbestandteil, der zwischen dem zweiten Separator und einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des ersten Separators angeordnet ist; und ein Dichtungsbauteil mit einem Stützteil, das an einem zweiten Bereich anhaftet oder innig befestigt ist, der den ersten Bereich an dem ersten Separator umgibt, und das mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist, und einer Rippe, die an dem Stützteil ausgebildet ist und den zweiten Separator berührt.
Gemäß der Brennstoffzelle der dritten Form, haftet der Stützteil des Dichtungsbauteils an der Fläche des Separators an oder ist an dieser innig befestigt, und ist mit dem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt, wodurch eine Verformung des Dichtungsbauteils während eines Zusammenbaus verhindert wird und der Zusammenbau der Brennstoffzelle erleichtert wird.
In der Brennstoffzelle gemäß der dritten Form können der Stützteil und der zweite Bereich mit einer Haftfestigkeit anhaften oder innig befestigt sein, die ausreichend ist, um ihre Verschiebung aufgrund eines geschätzten Fluiddrucks während eines Betriebs der Brennstoffzelle zu verhindern. Beispielsweise kann die Haftfestigkeit 0,01 N/mm oder mehr pro Längeneinheit von Dichtungslinien sein. Dadurch wird es möglich, die Höhe einer Befestigungskraft zu verringern, die notwendig ist, um die Brennstoffzelle in der Stapelrichtung in solch einer Weise zu befestigen, um eine Dichtung sicherzustellen.
In der Brennstoffzelle gemäß der dritten Form kann der Stützteil an einer Kathodenseite ausgebildet sein, und die Rippe kann an einer Anodenseite ausgebildet sein. Dadurch kann eine Dichtung an der Kathodenseite verbessert werden, die dazu neigt, einem höheren Gasdruck ausgesetzt zu sein, so dass eine mangelhafte Dichtung vermieden werden kann.
In der Brennstoffzelle gemäß der dritten Form kann der Einheitszellenbestandteil eine Elektrolytschicht mit an beiden Flächen angeordneten Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten über den Katalysatorschichten an den beiden Flächen der Elektrolytschicht haben. Der Einheitszellenbestandteil kann des Weiteren einen porösen Körper haben, der über der Diffusionsschicht und der Katalysatorschicht an den beiden Flächen der Elektrolytschicht angeordnet ist.
Eine vierte Form der vorliegenden Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor. Die Brennstoffzelle gemäß der dritten Form hat Folgendes: einen Einheitszellenbestandteil; einen ersten Separator, der an einer Kathodenseite des Einheitszellenbestandteils angeordnet ist; einen zweiten Separator, der an einer Anodenseite des Einheitszellenbestandteils angeordnet ist; und ein Dichtungsbauteil, das mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist und eine Dichtung zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator vorsieht; wobei eine Haftfestigkeit zwischen dem Dichtungsbauteil und dem ersten Separator sich von einer Haftfestigkeit zwischen dem Dichtungsbauteil und dem zweiten Separator unterscheidet.
Gemäß der Brennstoffzelle der vierten Form, weil sich die Haftfestigkeit zwischen dem Dichtungsbauteil und dem ersten Separator und die Haftfestigkeit zwischen dem Dichtungsbauteil und dem zweiten Separator unterscheiden, kann die Brennstoffzelle leicht in die vereinigten Separator-/Dichtungsbauteil-/Einheitszellenbestandteil-Baugruppen zerlegt werden, wo der Separator mit dem Dichtungsbauteil mit der höheren Haftfestigkeit verbunden ist. Als eine Folge werden eine Zerlegung und eine Wartung erleichtert.
Eine fünfte Form der vorliegenden Erfindung sieht eine Einheitszellenbaugruppe zur Verwendung beim Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellenbaugruppen vor, um eine Brennstoffzelle aufzubauen. Die Einheitszellenbaugruppe gemäß der fünften Form hat Folgendes: einen Separator; einen Einheitszellenbestandteil, der in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators angeordnet ist; und ein Dichtungsbauteil mit einem Stützteil, der an einem zweiten Bereich, der den ersten Bereich des Separators umgibt, anhaftet oder an diesem innig befestigt ist und mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist, und mit einer Rippe, die an dem Stützteil ausgebildet ist und angepasst ist, den Separator einer anderen Einheitszellenbaugruppe zu berühren, wenn diese gestapelt ist.
Gemäß der Einheitszellenbaugruppe der fünften Form kann eine Brennstoffzelle leicht hergestellt werden, indem einfach mehrere Einheitszellenbaugruppen gestapelt werden und diese befestigt werden.
Die Brennstoffzelle der vierten Form und die Einheitszellenbaugruppe der fünften Form können wie die Brennstoffzelle der dritten Form verringert werden, um in verschiedenen möglichen Formen realisiert zu werden. Andere zusätzliche mögliche Umsetzungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszellenbaugruppe zur Verwendung beim Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellenbaugruppen, um eine Brennstoffzelle aufzubauen, oder eine Einheitszellenbaugruppe, die durch dieses Herstellungsverfahren hergestellt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erste Darstellung, die einen Aufbau einer Brennstoffzelle in einer Ausführungsform zeigt;
2 ist eine zweite Darstellung, die einen Aufbau einer Brennstoffzelle in einer Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte einer Brennstoffzelle in einer Ausführungsform zeigt;
4 ist eine Vorderansicht einer Einheitszellenbaugruppe 200;
5 ist eine Schnittansicht, die den A-A Querschnitt in 4 zeigt;
6 ist eine Darstellung, die die Konturen einer Kathodenplatte abbildet;
7 ist eine Darstellung, die die Konturen einer Anodenplatte abbildet;
8 ist eine Darstellung, die die Konturen einer mittleren Platte abbildet;
9 ist eine Vorderansicht eines Separators;
10A und 10B stellen Strömungen eines Reaktantgases in einer Brennstoffzelle dar;
11 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte einer Brennstoffzellenbaugruppe in einer Ausführungsform zeigt;
12A und 12B stellen Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in einer Ausführungsform dar;
13 ist ein Diagramm eines Formwerkzeugs;
14 ist ein erstes Diagramm einer beispielhaften herkömmlichen Brennstoffzelle;
15 ist ein zweites Diagramm einer beispielhaften herkömmlichen Brennstoffzelle;
16 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in einer modifizierten Ausführungsform 1 zeigt;
17A und 17B stellen Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in der modifizierten Ausführungsform 1 dar;
18 ist eine vergrößerte Ansicht, die Berührabschnitte eines Dichtungsbauteils und eines Separators in einer modifizierten Ausführungsform 2 zeigt; und
19 ist eine vergrößerte Ansicht, die Berührabschnitte eines Dichtungsbauteils und eines Separators in einer modifizierten Ausführungsform 3 zeigt.
BESTE FORM ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die Brennstoffzelle, das Brennstoffzellenherstellungsverfahren und die Einheitszellenbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend auf der Basis von gewissen bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
A. Ausführungsform:
• Aufbau einer Brennstoffzelle
Der allgemeine Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. 1 und 2 sind Darstellungen, die einen Aufbau einer Brennstoffzelle in der Ausführungsform zeigen. 3 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte einer Brennstoffzelle in der Ausführungsform zeigt.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, hat die Brennstoffzelle 100 einen Aufbau mit einer Vielzahl von gestapelten Einheitszellenbaugruppen 200 (als ein Stapelaufbau bezeichnet). Wie in 3 gezeigt ist, wird die Brennstoffzelle 100 hergestellt durch Stapeln einer vorgeschriebenen Anzahl der Einheitszellenbaugruppen 200 (Schritt S102) und Befestigen von diesen derart, dass die gestapelten Einheitszellenbaugruppen 200 einer vorgeschriebenen Befestigungskraft in der Stapelrichtung unterzogen werden (Schritt S104).
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 100 mit einem Oxidationsgaszufuhrverteiler 110 zum Zuführen eines Oxidationsgases, einem Oxidationsgasabgabeverteiler 120 zum Abgeben des Oxidationsgases, einem Brennstoffgaszufuhrverteiler 130 zum Zuführen eines Brennstoffgases, einem Brennstoffgasabgabeverteiler 140 zum Abgeben des Brennstoffgases, einem Kühlmediumzufuhrverteiler 150 zum Zuführen eines Kühlmediums und einem Kühlmediumabgabeverteiler 160 zum Abgeben des Kühlmediums ausgestattet. Luft wird typischerweise als das Oxidationsgas verwendet, während Wasserstoff typischerweise als das Brennstoffgas verwendet wird. Das Oxidationsgas und das Brennstoffgas werden auch die Reaktantgase genannt. Das Kühlmedium kann Wasser, kältebeständiges Wasser wie Ethylenglykol, Luft oder dergleichen sein.
Der Aufbau der Einheitszellenbaugruppe 200 wird nun mit Bezug auf 4 und 5 zusätzlich zu 2 beschrieben. In 2 ist die Einheitszellenbaugruppe 200 in einer Seitenansicht gezeigt. 4 ist eine Vorderansicht (von der rechten Seite in 2 aus gesehen) der Einheitszellenbaugruppe 200. 5 ist eine Schnittansicht, die den A-A Querschnitt in 4 zeigt.
Wie in 2, 4 und 5 gezeigt ist, ist die Einheitszellenbaugruppe 200 aus einem Separator 600, einem Einheitszellenbestandteil 800 und einem Dichtungsbauteil 700 aufgebaut.
Zuerst wird der Aufbau des Separators 600 kurz beschrieben. Der Separator 600 besteht aus einer Anodenplatte 300, einer Kathodenplatte 400 und einer mittleren Platte 500.
6 bis 8 zeigen die Konturen der Kathodenplatte 400 (6), der Anodenplatte 300 (7) bzw. der mittleren Platte 500 (8). 6, 7 und 8 zeigen die Platten 400, 300, 500 aus Sicht von der rechten Seite in 1. In 6 bis 8 ist der Bereich DA, der durch die gestrichelten Linien in dem mittleren Teil von jeder Platte 300, 400, 500 gekennzeichnet ist, der Bereich, in dem der Einheitszellenbestandteil 800, der später beschrieben wird, in der Einheitszellenbaugruppe 200 positioniert wird (nachstehend wird dieser Bereich als der Elektrizitätserzeugungsbereich DA) bezeichnet.
Die Kathodenplatte wird beispielsweise aus rostfreiem Stahl geformt. Die Kathodenplatte 400 ist mit sechs Verteileröffnungen 422 bis 432, einem Oxidationsgaszufuhrschlitz 440 und einem Oxidationsgasabgabeschlitz 444 versehen. Die Verteileröffnungen 422 bis 432 sind derart perforiert, dass sie verwendet werden, um die Verteiler zu definieren, die vorstehend beschrieben sind, wenn die Brennstoffzelle 100 aufgebaut wird, und sind jeweils an der Außenseite des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA angeordnet. Der Oxidationsgaszufuhrschlitz 440 ist an einem Rand des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA angeordnet (in 6 an dem oberen Rand). Der Oxidationsgasabgabeschlitz 444 ist angrenzend an einen anderen Rand des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA angeordnet (in 6 an dem unteren Rand).
Die Anodenplatte 300 wird wie die Kathodenplatte 400 beispielsweise aus rostfreiem Stahl geformt. Wie die Kathodenplatte 400 ist die Anodenplatte 300 mit sechs Verteileröffnungen 322 bis 332 und mit einem Brennstoffgaszufuhrschlitz 350 und einem Brennstoffgasabgabeschlitz 354 versehen. Die Verteileröffnungen 322 bis 332 sind derart perforiert, dass sie verwendet werden, um die Verteiler zu definieren, die vorstehend beschrieben sind, wenn die Brennstoffzelle 100 aufgebaut wird; wie an der Kathodenplatte 400 werden sie jeweils an der Außenseite des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA angeordnet. Der Brennstoffgaszufuhrschlitz 350 ist an dem Rand des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA (in 7 an dem unteren Rand) in solch einer Weise angeordnet, dass er nicht mit dem Oxidationsgasabgabeschlitz 444 der Kathodenplatte 400 in dem zusammengebauten Separator 600 überlappt. Der Brennstoffgasabgabeschlitz 354 ist an dem Rand des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA (in 7 an dem oberen Rand) in solch einer Weise angeordnet, dass er nicht den Oxidationsgaszufuhrschlitz 440 der Kathodenplatte 400 in dem zusammengebauten Separator 600 überlappt.
Die mittlere Platte 500 wird beispielsweise wie die Platten 300, 400, die vorstehend beschrieben sind, auch aus rostfreiem Stahl geformt. Die mittlere Platte 500 ist mit vier Verteileröffnungen 522, 524, 526, 528, von denen jede durch die Platte in der Dickenrichtung hindurchgeht, für eine Zufuhr/Abgabe des Reaktantgases (Oxidationsgas oder Brennstoffgas); mit Zufuhrkanalöffnungen 542, 546 und mit Abgabekanalöffnungen 544, 548 versehen. Die mittlere Platte 500 ist zusätzlich mit einer Vielzahl von Kühlmediumkanalöffnungen 550 versehen. Die Verteileröffnungen 522 bis 528 sind derart perforiert, dass sie verwendet werden, um die Verteiler zu definieren, die vorstehend beschrieben sind, wenn die Brennstoffzelle 100 aufgebaut wird; wie in der Kathodenplatte 400 und der Anodenplatte 300 sind sie jeweils an der Außenseite des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA angeordnet.
Die Kühlmediumkanalöffnungen 550 haben eine längliche Form, die sich quer über den Elektrizitätserzeugungsbereich DA in der Links-Rechts-Richtung in 8 erstreckt, wobei ihre Enden sich zu der Außenseite des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA erstrecken. Die Kühlmediumkanalöffnungen 550 sind mit einem vorgeschriebenen Abstand in der Vertikalrichtung in 8 in Reihe angeordnet.
Die Reaktantgaszufuhrkanalöffnungen 542, 546 und Reaktantgasabgabekanalöffnungen 544, 548 sind jeweils an ihrem einen Ende mit den entsprechenden Verteileröffnungen 522, 526, 524, 528 verbunden. Die Kanalöffnungen 546, 548, 542, 544 sind jeweils an ihrem anderen Ende mit den entsprechenden Zufuhr-/Abgabeschlitzen 350, 354, 440, 444 verbunden, wenn die drei Platten aneinandergefügt sind.
9 ist eine Vorderansicht des Separators. Der Separator 600 wird hergestellt durch Verbinden der Anodenplatte 300 und der Kathodeplatte 400 mit einer Seite der mittleren Platte 500, um die mittlere Platte 500 sandwichartig zu umgeben; und anschließendes Ausstanzen der Sektionen in der mittleren Platte 500, die in den Bereichen frei liegen, die zu dem Kühlmediumzufuhrverteiler 150 und dem Kühlmediumabgabeverteiler 160 korrespondieren. Beispielhafte Verfahren zum Verbinden der Platten beinhalten Thermokompressionsverbinden, Löten oder Schweißen. Als eine Folge wird ein Separator 600 erhalten, der die perforierten Teile hat, die durch eine Schraffur in 9 gekennzeichnet sind, und zwar die sechs Verteiler 110 bis 160 und einen Oxidationsgaszufuhrkanal 650, einen Oxidationsgasabgabekanal 660, einen Brennstoffgaszufuhrkanal 630, einen Brennstoffgasabgabekanal 640 und einen Kühlmediumkanal 670.
Die Beschreibung der Einheitszellenbaugruppe 200 wird fortgeführt mit nochmaligem Bezug auf 2, 4 und 5. Wie in 2 dargestellt ist, ist der Einheitszellenbestandteil 800 in dem Elektrizitätserzeugungsbereich DA an der Fläche der Kathodenplatte 400 des Separators 600 positioniert; und das Dichtungsbauteil 700 ist in einem Bereich außerhalb des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA an derselben Fläche positioniert (nachstehend als der Umgebungsbereich bezeichnet). Wie in 5 gezeigt ist, besteht der Einheitszellenbestandteil 800 aus einer MEA (Membranelektrodenbaugruppe) 810; einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820, die so positioniert ist, dass sie die anodenseitige Fläche der MEA 810 berührt; einer kathodenseitigen Diffusionsschicht 830, die so positioniert ist, dass sie die kathodenseitige Fläche der MEA 810 berührt; einem anodenseitigen porösen Körper 840; und einem kathodenseitigen porösen Körper 850. Der anodenseitige poröse Körper 840 ist über der anodenseitigen Diffusionsschicht 820 an der Anodenseite der MEA 810 positioniert, während der kathodenseitige poröse Körper 850 über der kathodenseitigen Diffusionsschicht 830 an der Kathodenseite der MEA 810 positioniert ist. Der kathodenseitige poröse Körper 850 ist mit dem Elektrizitätserzeugungsbereich DA des Separators 600 in Kontakt. Mit einer Vielzahl der Einheitszellenbaugruppen 200, die gestapelt sind, um die Brennstoffzelle 100 herzustellen, wird der anodenseitige poröse Körper 840 so angeordnet, dass er die Anodenplattenseite des Separators 600 der benachbarten Einheitszellenbaugruppe 200 berührt.
Die MEA 810 besteht aus einer Ionenaustauschmembran, die beispielsweise aus einem Fluorharzmaterial oder einem Kohlenwasserstoffharzmaterial mit einer guten Ionenleitfähigkeit in dem benetzten Zustand hergestellt ist, und Katalysatorschichten, die auf beide Seiten der Membran aufgebracht worden sind. Die Katalysatorschichten enthalten beispielsweise Platin oder eine Legierung aus Platin und einem anderen Metall.
Die anodenseitige Diffusionsschicht 820 und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830 sind beispielsweise aus einem Kohlenstoffgewebe, das aus einem Kohlenstofffasergarn gewebt ist, oder aus Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz hergestellt.
Der anodenseitige poröse Körper 840 und der kathodenseitige poröse Körper 850 sind aus einem porösen Material hergestellt, das eine Gasdiffusionsfähigkeit und eine elektrische Leitfähigkeit hat, wie aus einem porösen Metallkörper. Der anodenseitige poröse Körper 840 und der kathodenseitige poröse Körper 850 haben ein höheres Porenvolumen als die anodenseitige Diffusionsschicht 820 und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830, die vorstehend genannt sind, und einen inneren Gasströmungswiderstand, der niedriger als der der anodenseitigen Diffusionsschicht 820 und der kathodenseitigen Diffusionsschicht 830 ist; sie funktionieren als Kanäle für eine Strömung der Reaktantgase, was später beschrieben wird.
Das Dichtungsbauteil 700 ist mit einem Stützteil 710 und einer Rippe 720 versehen, die an der oberen Fläche des Stützteils 710 ausgebildet ist. Das Dichtungsbauteil 700 ist aus einem Material hergestellt, das gasundurchlässig ist und eine Elastizität und eine Hitzebeständigkeit in dem Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle hat; beispielsweise aus einem elastischen Material wie Gummi oder Elastomer. Spezielle Beispiele von Materialien, die verwendet werden können, sind Silikonkautschuk, Butylkautschuk, Acrylkautschuk, Naturkautschuk, Fluorkautschuk, Ethylen-/Propylenkautschuk, Styrolelastomere, Fluorelastomere usw.
Der Stützteil 710 des Dichtungsbauteils 700 ist so angeordnet, dass er den gesamten Umgebungsbereich der Kathodenplattenseite des Separators 600 berührt, der vorstehend beschrieben ist (2, 5). Der Stützteil 710 des Dichtungsbauteils 700 haftet mit einer vorgeschriebenen Haftfestigkeit an der Kathodenplattenseite des Separators 600 an einer Kontaktfläche SU (durch die dicke Linie in 5 gekennzeichnet) an.
Hier bezieht sich diese vorgeschriebene Haftfestigkeit auf eine Haftfestigkeit, wenn sich die Einheitszellenbaugruppe 200 in dem nicht gestapelten/nicht befestigten Zustand befindet, d. h. in Abwesenheit einer in der Stapelrichtung aufgebrachten Last. Die vorgeschriebene Haftfestigkeit ist derart, dass, wenn das Dichtungsbauteil 700 geschätzten Fluiddrücken unterzogen wird, die während eines Betriebs der Brennstoffzelle aufgebracht werden, wie durch die Pfeile in 5 dargestellt ist, die Haftfestigkeit ausreichend ist, um zu verhindern, dass sich das Dichtungsbauteil 700 in der Richtung entlang der Kontaktfläche SU in Bezug auf die Kathodenplattenseite des Separators 600 von der Stelle verschiebt. Die geschätzten Fluiddrücke während eines Betriebs der Brennstoffzelle können einen Brennstoffgasdruck, einen Oxidationsgasdruck und einen Kühlmediumdruck im Inneren der Verteiler 110 bis 160 sowie den Druck des Oxidationsgases, das zu der kathodenseitigen Diffusionsschicht 830 und zu dem kathodenseitigen porösen Körper 850 zugeführt wird, und den Druck des Brennstoffgases beinhalten, das zu der anodenseitigen Diffusionsschicht 820 und zu dem anodenseitigen porösen Körper 840 zugeführt wird.
In einer bevorzugten Anwendung wird die vorgeschriebene Haftfestigkeit auf der Basis eines geschätzten maximalen Fluiddrucks bestimmt. Beispielsweise gilt, je höher die Last ist, bei der eine Brennstoffzelle betrieben wird, desto höher ist der Druck des Oxidationsgases, des Brennstoffgases und des Kühlmediums. Darüber hinaus, da Druckverluste auftreten, wenn ein Fluid strömt, wird ein Druck an dem stromaufwärtigen Ende eines Strömungsdurchgangs (der Einlassseite) höher sein als ein Druck an dem stromabwärtigen Ende (der Auslassseite). Darüber hinaus, wo Luft als das Oxidationsgas verwendet wird, da Luft nur ungefähr 20% Sauerstoff enthält (der in der elektrochemischen Reaktion verbraucht wird), muss in vielen Fällen das Oxidationsgas mit einem hohen Druck geliefert werden, um eine ausreichende Zufuhr von Sauerstoff zu der Kathode zu gewährleisten. Zusätzlich, wo die Strömung von Oxidationsgas zum Ausstoßen von entstandenem Wasser zu der Außenseite verwendet wird, wird in vielen Fällen das Oxidationsgas mit einem hohen Druck geliefert, um entstandenes Wasser effizient auszustoßen. Demzufolge wird in solchen Fällen die Haftfestigkeit an der Kontaktfläche SU auf der Basis eines Drucks an der stromaufwärtigen Seite des Oxidationsgasströmungsdurchgangs (in der Nähe des Oxidationsgaszufuhrverteilers 110) in einem Hochlastbetrieb bestimmt, um ein Verschieben des Stützteils 700 bei diesem Druckniveau zu vermeiden.
Im Speziellen ist die Haftfestigkeit an der Kontaktfläche SU vorzugsweise wenigstens 0,01 N/mm (Newton pro Millimeter), noch bevorzugter 0,6 N/mm oder mehr, pro Einheitslänge der Dichtungslinie.
Wie durch ein Symbol BB in 4 und 5 gezeigt ist, dringt der Stützteil 710 in den Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils 800 ein und ist mit diesem vereinigt. Somit wird ein Entweichen von Reaktantgas von der Kathodenseite zu der Anodenseite oder von der Anodenseite zu der Kathodenseite der MEA 810 an dem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils 800 verhindert.
Wie in 4 gezeigt ist, ist die Rippe 720 ausgebildet, um den Einheitszellenbestandteil 800 bzw. die Verteiler 110 bis 160 zu umgeben. Wenn die Einheitszellenbaugruppen 200 gestapelt werden, um die Brennstoffzelle 100 aufzubauen, wird die Rippe 720 durch eine Befestigungskraft in der Stapelrichtung in gasdichtem Kontakt an der Anodenplatte 300 des Separators 600 der benachbarten Einheitszellenbaugruppe 200 angeordnet.
Wie von der vorstehenden Beschreibung verstanden wird, dichtet bei den Einheitszellenbaugruppen 200, die gestapelt sind, um die Brennstoffzelle 100 herzustellen, das Dichtungsbauteil 700 mittels der Kontaktfläche SU seines Stützteils 710 mit dem Separator 600 von dieser Einheitszellenbaugruppe 200 ab; und dichtet mittels seiner Rippe 720 mit der benachbarten Einheitszellenbaugruppe 200 ab. Somit wird verhindert, dass das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmedium aus der Brennstoffzelle entweichen oder sich miteinander vermischen.
• Brennstoffzellenbetrieb
Ein Betrieb der Brennstoffzelle 100 gemäß der Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 10A und 10B beschrieben. 10A und 10B stellen Strömungen eines Reaktantgases in einer Brennstoffzelle dar. In 10A und 10B sind, um die Darstellung zu vereinfachen, zwei Einheitszellenbaugruppen 200 gestapelt gezeigt. 10A zeigt eine Schnittansicht, die zu dem B-B Querschnitt in 9 korrespondiert. In 10B zeigt die rechte Hälfte eine Schnittansicht, die zu dem D-D Querschnitt in 9 korrespondiert, während die linke Hälfte eine Schnittansicht zeigt, die zu den C-C Querschnitt in 9 korrespondiert.
In der Brennstoffzelle 100 wird Elektrizität erzeugt, indem Oxidationsgas zu dem Oxidationsgaszufuhrverteiler 110 zugeführt wird, während auch Brennstoffgas zu dem Brennstoffgaszufuhrverteiler 130 zugeführt wird. Während einer Erzeugung durch die Brennstoffzelle 100 wird der Kühlmediumzufuhrverteiler 150 mit einem Kühlmedium zum Begrenzen des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle versorgt, der durch Wärme hervorgerufen wird, die in Zusammenhang mit einer Elektrizitätserzeugung entsteht.
Oxidationsgas, das zu dem Oxidationsgaszufuhrverteiler 110 zugeführt worden ist, wird von dem Oxidationsgaszufuhrverteiler 110 zu dem kathodenseitigen porösen Körper 850 über den Oxidationsgaszufuhrkanal 650 zugeführt, wie durch die Pfeile in 10A gezeigt ist. Der Oxidationsgaszufuhrkanal 650 ist durch die Oxidationsgaszufuhrkanalöffnung 542 (8), die in der mittleren Platte 500 vorgesehen ist, und durch den Oxidationsgaszufuhrschlitz 440 (6) definiert, der in der Kathodenplatte 400 vorgesehen ist, was vorstehend beschrieben ist. Das Oxidationsgas, das zu dem kathodenseitige porösen Körper 850 zugeführt worden ist, strömt nun ins Innere des kathodenseitigen porösen Körpers 850 (der als ein Kanal für das Oxidationsgas funktioniert) von der oberen zu der unteren Seite in 4 und 9. Das Oxidationsgas geht dann durch den Oxidationsgasabgabekanal 660 hindurch, um in den Oxidationsgasabgabeverteiler 120 abgegeben zu werden. Der Oxidationsgasabgabekanal 660 ist durch die Oxidationsgasabgabekanalöffnung 544 (8), die in der mittleren Platte 500 ausgebildet ist, und durch den Oxidationsgasabgabeschlitz 444 (6) definiert, der in der Kathodenplatte 400 ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben ist. Ein Teil des Oxidationsgases, das durch den kathodenseitigen porösen Körper 850 strömt, wird sich entlang der gesamten kathodenseitigen Diffusionsschicht 830 verteilen, die den kathodenseitigen porösen Körper 850 berührt, und nimmt dann in der Kathodenreaktion teil (beispielsweise 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O).
Brennstoffgas, das zu dem Brennstoffgaszufuhrverteiler 130 zugeführt worden ist, wird von dem Brennstoffgaszufuhrverteiler 130 zu dem anodenseitigen porösen Körper 840 über den Brennstoffgaszufuhrkanal 630 zugeführt, wie durch die Pfeile in 10B gezeigt ist. Der Brennstoffgaszufuhrkanal 630 ist durch die Brennstoffgaszufuhrkanalöffnung 546 (8), die in der mittleren Platte 500 ausgebildet ist, und durch den Brennstoffgaszufuhrschlitz 350 (7) definiert, der in der Anodenplatte 300 ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben ist. Das Brennstoffgas, das zu dem anodenseitigen porösen Körper 840 zugeführt worden ist, strömt nun ins Innere des anodenseitigen porösen Körpers 840 (der als ein Kanal für das Brennstoffgas funktioniert) von der unteren zu der oberen Seite in 4 und 9. Das Brennstoffgas geht dann durch den Brennstoffgasabgabekanal 640 hindurch, um in den Brennstoffgasabgabeverteiler 140 abgegeben zu werden. Der Brennstoffgasabgabekanal 640 ist durch die Brennstoffgasabgabekanalöffnung 548 (8), die in der mittleren Platte 500 ausgebildet ist, und durch den Brennstoffabgabeschlitz 354 (7) definiert, der in der Anodenplatte 300 ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben ist. Ein Teil des Oxidationsgases, das durch den anodenseitigen porösen Körper 840 strömt, verteilt sich entlang der gesamten anodenseitigen Diffusionsschicht 820, die den anodenseitigen porösen Körper 840 berührt, und nimmt an der Anodenreaktion teil (beispielsweise H₂ → 2H⁺ + 2e^–).
Das Kühlmedium, das zu dem Kühlmediumzufuhrverteiler 150 zugeführt worden ist, wird von dem Kühlmediumzufuhrverteiler 150 zu dem Kühlmediumkanal 670 zugeführt. Wie in 9 gezeigt ist, ist der Kühlmediumkanal 670 durch die Kühlmediumkanalöffnungen 550 definiert (8), die in der mittleren Platte 500 ausgebildet sind, wie vorstehend beschrieben ist, und ist an einem Ende mit dem Kühlmediumzufuhrverteiler 150 und an dem anderen Ende mit dem Kühlmediumabgabeverteiler 160 verbunden. Das Kühlmedium, das zu dem Kühlmediumkanal 670 zugeführt worden ist, strömt von einem Ende des Kühlmediumkanals 670 zu dem anderen Ende und wird in den Kühlmediumabgabeverteiler 160 abgegeben.
• Einheitszellenbaugruppenherstellungsverfahren:
Ein Verfahren zum Herstellen der Einheitszellenbaugruppe 200 mit dem Aufbau, der vorstehend beschrieben ist, wird nachstehend mit Bezug auf 11, 12A und 12B beschrieben. 11 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in der Ausführungsform darstellt. 12A und 12B stellen Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in der Ausführungsform dar. 13 ist ein Diagramm eines Formwerkzeugs. 12A und 12B zeigen den F-F Querschnitt in 13.
Zuerst wird ein Formwerkzeug zum Integralformen bereitgestellt (Schritt S202). Wie in 12A dargestellt ist, hat das Formwerkzeug ein oberes Werkzeug 910 und ein unteres Werkzeug 920. Wie in 12A, 12B und 13 gezeigt ist, hat das untere Werkzeug 920 eine Form, die mit den Konturen des Separators 600 übereinstimmt, so dass der Separator 600 darin positioniert wird. Des Weiteren, wie in 12A, 12B und 13 gezeigt ist, ist das untere Werkzeug 920 mit Vorsprungsteilen PJ versehen, die angepasst sind, um in die Verteiler des Separators 600 zu passen, wenn der Separator 600 darin positioniert ist. Das obere Werkzeug 910 ist mit Einspritzanschlüssen SH für das Formmaterial versehen, die oberhalb der Vorsprungsteile PJ des unteren Werkzeugs angeordnet sind.
Als nächstes wird der Separator 600 auf dem unteren Werkzeug positioniert (Schritt S204). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Separator 600 an der unteren Form 920 positioniert, wobei seine Anodenplattenseite nach unten zeigt und seine Kathodenplattenseite nach oben zeigt.
Als nächstes wird der kathodenseitige poröse Körper 850 an dem Separator 600 positioniert, der auf dem unteren Werkzeug 920 positioniert worden ist (Schritt S206). Der kathodenseitige poröse Körper 850 wird in dem Elektrizitätserzeugungsbereich DA (6 etc.) auf der Kathodenplattenfläche des Separators 600 positioniert.
Eine MEGA 860 wird dann so positioniert, dass sie den auf diese Weise positionierten kathodenseitigen porösen Körper 850 überlappt (Schritt S208). Die MEGA 860 ist eine integrierte Baugruppe, in der die anodenseitige Diffusionsschicht 820 und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830 im Voraus an jeweils eine Seite der MEA 810 durch Heißpressen haftverbunden worden sind.
Der anodenseitige poröse Körper 840 wird dann so positioniert, dass er die auf diese Weise positionierte MEGA 860 überlappt (Schritt S210).
Nachdem alle Teile des Einheitszellenbestandteils 800 in dem Elektrizitätserzeugungsbereich DA des Separators 600 auf diese Weise positioniert worden sind, werden die Werkzeuge mit einem vorgeschriebenen Werkzeugdruck geschlossen, und ein Spritzgießen wird ausgeführt (Schritt S212). Das untere Werkzeug 920 und das obere Werkzeug 910 sind in 12B in dem geschlossenen Zustand gezeigt. In dem geschlossenen Zustand bilden sich Räume SP, die die Form des Dichtungsbauteils 700 der Einheitszellenbaugruppe 200 haben, das vorstehend beschrieben ist, an der oberen Seite des Umgebungsbereichs (der Bereich außerhalb des Elektrizitätserzeugungsbereichs DA) an der Kathodenplattenseite des Separators 600. Wie in 12B gezeigt ist, werden diese Räume SP durch die Fläche an der Kathodenplattenseite des Separators 600, der Innenwandflächen des unteren Werkzeugs 920 und des oberen Werkzeugs 910 und des Randabschnitts des Einheitszellenbestandteils 800 (der anodenseitige poröse Körper 840, die MEGA 860 und der kathodenseitige poröse Körper 850) gebildet. Ein Spritzgießen findet innerhalb dieser Räume SP statt. Im Speziellen wird, nachdem ein flüssiger Gummi als das Formmaterial des Dichtungsbauteils 17 von den Einspritzanschlüssen SH eingespritzt worden ist, ein Vulkanisierungsprozess ausgeführt.
Während des Spritzgießens wird der Einspritzdruck des Formmaterials derart gesteuert, dass das Formmaterial in den Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils 800 (der Bereich BB in 4 und 5) eindringt, so dass der Einheitszellenbestandteil 800 und das Dichtungsbauteil 700 vereinigt werden. Eine Haftfestigkeit an der Kontaktfläche SU (5) des Dichtungsbauteils 700 mit dem Separator 600 wird durch Zugabe eines Silankopplungsmittels zu dem Formmaterial sichergestellt. Nach dem Spritzgießen werden die Werkzeuge getrennt, um die Einheitszellenbaugruppe 200 zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die vorstehend beschrieben ist, werden Einheitszellenbaugruppen 200 hergestellt, die aus dem vereinigten Dichtungsbauteil 700, Separator 600 und Einheitszellenbestandteil 800 bestehen, und die Einheitszellenbaugruppen 200 werden dann gestapelt und befestigt, um die Brennstoffzelle 100 herzustellen. Somit wird ein Zusammenbau der Brennstoffzelle 100 erleichtert und die Anzahl der Herstellungsschritte wird verringert.
Als eine Verständnishilfe wird ein Beispiel einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit Bezug auf 14 und 15 beschrieben. Wie in 14 dargestellt ist, sind in einer herkömmlichen Brennstoffzelle beispielsweise Separatoren 600 und Einheitszellen 200b der integral gedichteten Bauart in einer abwechselnden Weise gestapelt. Wie in 15 dargestellt ist, sind die Einheitszellen 200b der integral gedichteten Bauart Komponenten, in denen ein Dichtungsbauteil 700b mit dem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils 800 (dem anodenseitigen porösen Körper 840, der MEGA 860 und dem kathodenseitigen porösen Körper 850) durch einen Prozess wie Spritzgießen integral geformt worden ist. Bei diesem Aufbau würde es, um beispielsweise eine Brennstoffzelle aufzubauen, die hundert Einheitszellen hat, notwendig sein, hundert der Separatoren 600 und hundert der Einheitszellen 200b der integral gedichteten Bauart, insgesamt also zweihundert Schichten, zu stapeln. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die vorstehend beschrieben ist, ist andererseits die Anzahl der Herstellungsschritte geringer, da es ausreichend ist, einfach hundert der Einheitszellenbaugruppen 200 zu stapeln. Darüber hinaus sind die Dichtungsbauteile aus einem relativ biegsamen elastischen Material gemacht, so dass sie sich an die Biegung der Brennstoffzelle anpassen können, um eine gute Dichtung zu gewährleisten, und deshalb können die Dichtungsbauteile 700b bei einem Aufbau wie der der Einheitszellen 200b der integral gedichteten Bauart eine Verformung während eines Stapelns und Befestigens erfahren, was es schwierig macht, sie mit guter Genauigkeit zusammenzubauen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Dichtungsbauteile 700 jedoch in ebenem Kontakt mit den hochsteifen Separatoren 600 und ihre Form wird gestützt, wodurch eine Verformung der Dichtungsbauteile 700 während eines Stapelns und Befestigens begrenzt wird, so dass ein genauer Zusammenbau erreicht wird.
Des Weiteren kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Befestigungskraft in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 100 niedriger sein. Als eine Folge können die Befestigungskomponenten, die verwendet werden, um die Brennstoffzelle 100 in der Stapelrichtung zu befestigen, kleiner sein, können die Separatoren 600 dünner sein und der Brennstoffzelle kann eine längere Lebenszeit verliehen werden.
In dem herkömmlichen Aufbau, der in 14 und 15 dargestellt ist, sind Rippen 720b an beiden Seiten (d. h. der Anodenseite und der Kathodenseite) des Dichtungsbauteils 700b in der Einheitszelle 200b der integral gedichteten Bauart ausgebildet, und eine Dichtung zwischen dem Dichtungsbauteil 700b und dem Separator 600 ist über einen Kontakt der Rippen 720b mit den Separatoren 600 an beiden Seiten gewährleistet. In solch einem Fall, wenn das Dichtungsbauteil 700b Fluiddrücken unterzogen wird, die während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfahren werden, wie durch die Pfeile in 15 dargestellt ist, ist die einzige Kraft, die dieser Last Widerstand bietet, eine statische Reibungskraft zwischen den Rippen 720b und den Separatoren 600. Da die Größe einer statischen Reibungskraft proportional zu der Befestigungskraft in der Stapelrichtung ist, ist eine relativ hohe Befestigungskraft notwendig, um eine Verschiebung des Dichtungsbauteils 700 aufgrund der Fluiddrücke zu begrenzen, die während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfahren werden. Ein Verschieben der Dichtungsbauteile 700 aufgrund der Fluiddrücke, die während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfahren werden, kann eine mangelhafte Dichtung erzeugen und muss verhindert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform hat, wie vorstehend angemerkt ist, die Kontaktfläche SU des Dichtungsbauteils 700 mit dem Separator 600 eine Haftfestigkeit, die ausreichend ist, um den Fluiddrücken zu widerstehen, die während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfahren werden, selbst bei Abwesenheit einer Last in der Stapelrichtung. Demzufolge kann die Befestigungskraft in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 100 ausschließlich unter Berücksichtigung, dass eine gute Dichtung zwischen der Rippe 720 und dem Separator 600 gewährleistet ist, hergestellt werden, ohne die Begrenzung einer Verschiebung der Dichtungsbauteile 700 zu berücksichtigen. Als eine Folge kann eine Befestigungskraft in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 100 merkbar geringer als in den herkömmlichen Brennstoffzellen sein. Darüber hinaus, wie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben ist, während zwischen der Kathodenseite des Dichtungsbauteils 700 und einem Separator 600 eine Haftfestigkeit besteht, die ausreichend ist, um eine Verschiebung der Dichtungsbauteile 700 aufgrund der Fluiddrücke zu begrenzen, die während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfahren werden, sind ein weiterer Separator 600 und die Anodenseite des Dichtungsbauteils 700 über die Rippe 720 einfach in Kontakt angeordnet. Das heißt, die Haftfestigkeit zwischen der Kathodenseite des Dichtungsbauteils 700 und dem einen Separator 600 wird merklich größer als die Haftfestigkeit zwischen der Anodenseite des Dichtungsbauteils 700 und dem anderen Separator 600. Als eine Folge, wenn die gestapelte Brennstoffzelle 100 auseinanderzubauen ist, werden dieser andere Separator 600 und die Anodenseite des Dichtungsbauteils 700 leicht getrennt. Demzufolge ist ein Auseinanderbauen in Einheitszellenbaugruppeneinheiten eine leichte Angelegenheit, so dass beispielsweise Einheitszellen, die ausgefallen sind, in Einheitszellenbaugruppeneinheiten ersetzt werden können, was die Wartung erleichtert. Da das Dichtungsbauteil 700 einstückig als eine einzelne Schicht an einer Seite des Separators 600 ausgebildet ist, ist das Auseinanderbauen erleichtert.
B. Modifizierte Ausführungsformen:
• Modifizierte Ausführungsform 1:
Eine modifizierte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen des Einheitszellenbestandteils 200 wird anhand der modifizierten Ausführungsform 1 mit Bezug auf 16, 17A und 17B beschrieben. 16 ist ein Flussdiagramm, das Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in einer modifizierten Ausführungsform 1 darstellt. 17A und 17B stellen Herstellungsschritte einer Einheitszellenbaugruppe in einer modifizierten Ausführungsform 1 dar.
Schritt S302 bis Schritt S306 des Verfahrens zum Herstellen des Einheitszellenbestandteils 200 der modifizierten Ausführungsform 1 sind gleich den Schritten S202 bis S206 (11) des Verfahrens zum Herstellen des Einheitszellenbestandteils 200 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
In dem Verfahren zum Herstellen des Einheitszellenbestandteils 200 der modifizierten Ausführungsform 1 sind in einem Unterscheidungspunkt von dem Verfahren zum Herstellen des Einheitszellenbestandteils 200 der Ausführungsform die MEA 810, die anodenseitige Diffusionsschicht 820 und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830 nicht als eine MEGA 860 durch Heißpressen im Voraus bereitgestellt worden, sondern sind jeweils als separate Elemente bereitgestellt, wie in 17A gezeigt ist.
Dann wird die kathodenseitige Diffusionsschicht 830 über den kathodenseitigen porösen Körper 850 angeordnet, der in Schritt S306 angeordnet wurde (Schritt S308); die MEA 810 wird über der kathodenseitigen Diffusionsschicht 830 angeordnet (Schritt S310); und die anodenseitige Diffusionsschicht 820 wird über der MEA 810 angeordnet (Schritt S312). Schließlich wird, wie in der Ausführungsform, der anodenseitige poröse Körper 840 über der anodenseitigen Diffusionsschicht 820 angeordnet (Schritt S314).
Nachdem alle Teile des Einheitszellenbestandteils 800 in dem Elektrizitätserzeugungsbereich DA des Separators 600 angeordnet worden sind, werden die Werkzeuge unter einem vorgeschriebenen Werkzeugdruck geschlossen, und ein Spritzgießen, begleitet durch Heißpressen, wird ausgeführt (Schritt S316, 17B). Als eine Folge haften in diesem Schritt die anodenseitige Diffusionsschicht 820 und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830 jeweils an einer Seite der MEA 810 an, wodurch die MEGA 860 gebildet wird. Wo beispielsweise der Vulkanisierungsschritt in dem Spritzgießprozess durch Erhitzen des Formwerkzeugs ausgeführt wird, kann die Wärme zum Heißpressen genützt werden.
Gemäß dem Verfahren zum Herstellen der Einheitszellenbaugruppe 200 der modifizierten Ausführungsform 1 wird ein Heißpressen begleitend zu einem Formen des Dichtungsbauteils 700 ausgeführt, wodurch der Schritt des Herstellens der MEGA 860 durch Heißpressen im Voraus beseitigt wird. Hier bezieht sich begleitendes Spritzgießen und Heißpressen auf Situationen, in denen ein Heißpressen während irgendeines Schritts der Abfolge von Spritzgießschritten von einem Schließen des Werkzeugs bis zu einem Öffnen des Werkzeugs ausgeführt wird, und meint nicht notwendigerweise, dass das Heißpressen gleichzeitig mit einem Einfüllen (Einspritzen) des Formmaterials von den Einspritzanschlüssen SH stattfinden muss. Im Gegensatz dazu sind in der Ausführungsform in dem oberen Werkzeug 910a des Formwerkzeugs, das in 17A dargestellt ist, die Einspritzanschlüsse SH über den Räumen SP zum Formen des Dichtungsbauteils 700 und nicht in den Regionen angeordnet, die zu den Verteilern 110 bis 160 korrespondieren. Es ist deshalb klar, dass verschiedene Modifikationen der Spezifikationen des Formwerkzeugs möglich sind; und dass die Anzahl, Form, Abmessung etc. der Einspritzanschlüsse SH in geeigneter Weise gemäß Formbedingungen wie der Art des Formmaterials, dem Einspritzdruck, der Form des Dichtungsbauteils 700 usw. bestimmt werden können. Beispielsweise können die Einspritzanschlüsse SH an dem unteren Werkzeug oder sowohl an dem oberen Werkzeug als auch an dem unteren Werkzeug vorgesehen sein.
• Modifizierte Ausführungsform 2:
In der vorstehenden Ausführungsform ist eine Haftfestigkeit an der Kontaktfläche SU (5) des Dichtungsbauteils 700 und des Separators 600 durch eine Zugabe eines Silankopplungsmittels zu dem Dichtungsbauteil 700 gewährleistet. Jedoch kann eine Haftfestigkeit an der Kontaktfläche auch durch irgendeines von verschiedenen anderen Verfahren gewährleistet werden. Beispielsweise ist es möglich, eine chemische Bindung, beispielsweise eine molekulare Anziehung, eine kovalente Bindung, eine Wasserstoffbindung oder dergleichen, oder eine physikalische Bindung auszunützen, wie eine mechanische Bindung. Genauer gesagt ist es für chemisches Verbinden neben dem Silankopplungsmittel, das in der Ausführungsform verwendet wird, möglich, eine Haftvermittlerbehandlung oder epoxidbasierte oder verschiedene andere Arten von Klebemitteln zu verwenden. Haftvermittlerbehandlungen und Klebemittel können zu dem Formmaterial hinzugegeben werden oder auf den Separator 600 aufgetragen werden. Für physikalisches Verbinden ist es möglich, einen Ansaugscheibeneffekt auszunützen, der durch Positionieren der Kontaktflächen SU des Dichtungsbauteils 700 und des Separators 600 in einem innigen Kontakt und Erzeugen eines Unterdrucks erzeugt wird.
Ein Beispiel eines derartigen physikalischen Verbindens ist in 18 als eine modifizierte Ausführungsform 2 gezeigt. 18 ist eine vergrößerte Ansicht, die Berührabschnitte eines Dichtungsbauteils und eines Separators in der modifizierten Ausführungsform 2 zeigt. In der modifizierten Ausführungsform 2 werden vor einem Herstellen der Einheitszellenbaugruppe 200 durch Spritzgießen, wie vorstehend beschrieben ist, Nuten 401 in dem Umgebungsbereich an der Kathodenplattenseite des Separators 600 ausgebildet (18). Die Nuten 401 können durch beispielsweise einen Gravur- oder Schneidprozess hergestellt werden.
Ein Spritzgießen wird dann in der Weise ausgeführt, wie vorstehend beschrieben worden ist (11, 12), und wenn das Dichtungsbauteil 700 ausgebildet wird, dringt das Formmaterial in die Nuten 401 ein, so dass die Berührabschnitte des Dichtungsbauteils 700 und des Separators 600 durch den resultierenden Ankereffekt verbunden werden.
Die Fläche des Separators 600 kann mit einer Form wie Löchern statt Nuten, mit einem hohen Grad einer Oberflächenrauigkeit über die gesamte Fläche oder mit Vorsprüngen oder dergleichen versehen sein.
• Modifizierte Ausführungsform 3:
19 ist eine vergrößerte Ansicht, die Berührabschnitte eines Dichtungsbauteils und eines Separators in der modifizierten Ausführungsform 3 darstellt. Der Stützteil 710 und der Separator 600 sind über eine Klebemittelschicht 730 aneinandergeklebt, die zwischen ihnen vorgesehen ist. Wo beispielsweise der Stützteil 710 und der Separator 600 eine im Wesentlichen schlechte Anhaftaffinität haben, können der Stützteil 710 und der Separator 600 über die Wirkung solch einer separaten Schicht 730 anhaften. In solchen Fällen besteht das Dichtungsbauteil 700 aus dem Stützteil 710, der Rippe 720 und der Klebemittelschicht 730.
• Modifizierte Ausführungsform 4:
Während die vorstehende Ausführungsform eine Einheitszellenbaugruppe 200 verwendet, in der der Einheitszellenbestandteil 800 und das Dichtungsbauteil 700 mit der Kathodenplattenfläche des Separators 600 vereinigt sind, können der Einheitszellenbestandteil 800 und das Dichtungsbauteil 700 stattdessen mit der Anodenplattenfläche des Separators 600 vereinigt sein. In diesem Fall werden das Dichtungsbauteil 700 und die Anodenplattenfläche des Separators 600 zusammen durch die Kontaktfläche SU abgedichtet, während das Dichtungsbauteil 700 und die Kathodenplattenfläche zusammen durch die Rippe 720 abgedichtet werden. Die Wahl, welche Fläche des Separators 600 mit dem Einheitszellenbestandteil 800 und dem Dichtungsbauteil 700 vereinigt wird, kann in geeigneter Weise durch Berücksichtigen beispielsweise der Brennstoffzellenbetriebsbedingungen, wie den Gasdrücken des Oxidationsgases und Brennstoffgases, und dem speziellen Designkonzept getroffen werden. In der vorstehenden Ausführungsform ist die Kathodenseite beispielsweise mit der Kontaktfläche SU durch das Stützteil 710 abgedichtet, wodurch eine Verformung des Dichtungsmaterials und eine Verstärkung einer mangelhaften Dichtung an der Kathodenseite gehemmt wird, wo ein Gasdruck dazu neigt, hoch zu sein. Gemäß einem weiteren Designkonzept, in dem beispielsweise Priorität auf ein Verhindern einer mangelhaften Dichtung bezüglich Wasserstoff gelegt wird, könnte jedoch eine mangelhafte Dichtung in Bezug auf Wasserstoff durch ein Abdichten der Anodenseite mit der Kontaktfläche SU durch den Stützteil 710 verhindert werden.
• Modifizierte Ausführungsform 5:
In der vorstehenden Ausführungsform ist das Dichtungsbauteil 700 durch Spritzgießen ausgebildet, aber das Dichtungsbauteil 700 kann stattdessen durch Formpressen ausgebildet sein. Beispielsweise könnten die Räume SP in dem Formwerkzeug bei Anwendung eines Heißvulkanisierungsformpressprozesses mit festem unvulkanisiertem Gummi gefüllt werden, und das Formwerkzeug kann dann geschlossen und erwärmt werden, um gleichzeitig die Form zu formen und eine Vulkanisierung herbeizuführen.
• Andere modifizierte Ausführungsformen:
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen liegt der Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils 800 auf einer Ebene auf, d. h. die Randfläche des Einheitszellenbestandteils 800 ist durch eine einzelne Ebene definiert; jedoch muss dies nicht notwendigerweise der Fall sein. Die Randflächen der MEA 810, der anodenseitigen Diffusionsschicht 820, der kathodenseitigen Diffusionsschicht 830, des anodenseitigen porösen Körpers 840 und des kathodenseitigen porösen Körpers 850, die den Einheitszellenbestandteil 800 bilden, können an jeweils versetzten Stellen angeordnet sein. Das heißt die Randfläche des Einheitszellenbestandteils 800 kann durch mehrere Flächen definiert sein.
In den vorstehenden Ausführungsformen sind Materialien für die verschiedenen Teile des Einheitszellenbestandteils 800 und der verschiedenen Teile der Separatoren 600 spezifiziert worden; jedoch gibt es keine Beschränkung auf diese speziellen Materialien und verschiedene geeignete Materialien könnten stattdessen verwendet werden. Während beispielsweise der anodenseitige poröse Körper 840 und der kathodenseitige poröse Körper 850 hier aus porösen Metallkörpern gemacht sind, ist es möglich, sie unter Verwendung von anderen Materialien, wie beispielsweise porösen Kohlenstoffkörpern auszubilden. Während der Separator 600 hier aus Metall gemacht ist, ist es möglich, ein anderes Material wie beispielsweise Kohlenstoff zu verwenden.
In den vorstehenden Ausführungsformen besteht der Separator 600 aus drei gestapelten Metallplatten, deren Flächen flache Konturen haben; jedoch gibt es eine beliebige Anzahl von anderen möglichen Konfigurationen für den Separator 600, und eine beliebige Anzahl von möglichen Konturen des Separators 600.
Während die vorliegende Erfindung vorstehend im Detail mit Bezug auf bestimmte bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen gezeigt worden ist, ist die Erfindung in keiner Weise auf die Ausführungsformen oder bestimmte Anordnungen begrenzt, die hier beschrieben sind, und verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen sind in dem Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Während die verschiedenen Elemente der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Anordnungen hierin gezeigt worden sind, sind diese eher beispielhaft, und es ist möglich, dass Elemente optional hinzugefügt oder weggelassen werden, oder dass ein einzelnes Element verwendet wird, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die japanische Patentanmeldung Nr. 2006-307593 , die am 14. November 2006 eingereicht wurde, und beansprucht die Priorität auf der Basis dieser japanischen Patentanmeldung, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Das Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, die gestapelte Einheitszellenbestandteile hat, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind, hat die Schritte des Anordnens des Einheitszellenbestandteils in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators; und des Formens eines aus einem elastischen Material hergestellten Dichtungsbauteils derart, dass das Dichtungsbauteil an einem zweiten Bereich, der den ersten Bereich an der ersten Fläche des Separators beinhaltet, anhaftet oder innig befestigt ist, und dass das Dichtungsbauteil mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2006-307593 [0104]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, die gestapelte Einheitszellenbestandteile hat, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen des Einheitszellenbestandteils in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators; und Formen eines aus einem elastischen Material hergestellten Dichtungsbauteils derart, dass das Dichtungsbauteil an einem zweiten Bereich, der den ersten Bereich an der ersten Fläche des Separators beinhaltet, anhaftet oder mit diesem innig befestigt ist, und dass das Dichtungsbauteil mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, die gestapelte Einheitszellenbestandteile hat, die durch Separatoren sandwichartig umgeben sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen des Separators in einem Formwerkzeug; Anordnen des Einheitszellenbestandteils in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators; und Formen eines Dichtungsbauteils durch Spritzgießen oder Formpressen eines Formmaterials innerhalb eines Raums, der durch einen zweiten Bereich, der den ersten Bereich an der ersten Fläche des Separators umgibt, durch einen Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils und durch das Formwerkzeug definiert ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Dichtungsbauteil in dem Dichtungsbauteilformschritt geformt wird, um mit einer Haftfestigkeit von 0,01 N/mm oder mehr pro Einheitslänge von Dichtungslinien anzuhaften oder innig befestigt zu sein.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des Weiteren den Schritt des Heißpressens des Einheitszellenbestandteils begleitend zu dem Dichtungsbauteilformschritt aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Einheitszellenbestandteil eine Elektrolytschicht mit an beiden Flächen angeordneten Katalysatorschichten; und Gasdiffusionsschichten über den Katalysatorschichten an den beiden Flächen der Elektrolytschicht hat.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, wobei der Einheitszellenbestandteil des Weiteren poröse Körper hat, die über der Diffusionsschicht und der Katalysatorschicht an den beiden Flächen der Elektrolytschicht angeordnet sind.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des Weiteren die folgenden Schritte aufweist: Stapeln einer Vielzahl von Baugruppen, die durch den Stopp des Formens des Dichtungsbauteiles erhalten werden; und Befestigen der Vielzahl von gestapelten Baugruppen.
Brennstoffzelle, die durch das Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
Brennstoffzelle mit: einem ersten Separator; einem zweiten Separator; einem Einheitszellenbestandteil, das zwischen dem zweiten Separator und einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des ersten Separators angeordnet ist; und einem Dichtungsbauteil, das einen Stützteil, der an einem zweiten Bereich, der den ersten Bereich an dem ersten Separator umgibt, anhaftet oder mit diesem innig befestigt ist und mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist, und eine Rippe hat, die an dem Stützteil ausgebildet ist und den zweiten Separator berührt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei der Stützteil und der zweite Bereich mit einer Haftfestigkeit anhaften oder innig befestigt sind, die ausreicht, um ihre Verschiebung aufgrund eines geschätzten Fluiddrucks während eines Betriebs der Brennstoffzelle zu verhindern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei die Haftfestigkeit 0,01 N/mm oder mehr pro Einheitslänge von Dichtungslinien ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Stützteil an einer Kathodenseite ausgebildet ist und die Rippe an einer Anodenseite ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Einheitszellenbestandteil eine Elektrolytschicht mit an beiden Flächen angeordneten Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten über den Katalysatorschichten an den beiden Flächen der Elektrolytschicht hat.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei der Einheitszellenbestandteil des Weiteren poröse Körper hat, die über der Diffusionsschicht und der Katalysatorschicht an den beiden Flächen der Elektrolytschicht angeordnet sind.
Brennstoffzelle mit: einem Einheitszellenbestandteil; einem ersten Separator, der an einer Kathodenseite des Einheitszellenbestandteils angeordnet ist; einem zweiten Separator, der an einer Anodenseite des Einheitszellenbestandteils angeordnet ist; und einem Dichtungsbauteil, das mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist und eine Dichtung zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator vorsieht; wobei eine Haftfestigkeit zwischen dem Dichtungsbauteil und dem ersten Separator sich von einer Haftfestigkeit zwischen dem Dichtungsbauteil und dem zweiten Separator unterscheidet.
Einheitszellenbaugruppe zur Verwendung beim Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellenbaugruppen, um eine Brennstoffzelle aufzubauen, mit: einem Separator; einem Einheitszellenbestandteil, der in einem ersten Bereich an einer ersten Fläche des Separators angeordnet ist; und einem Dichtungsbauteil, das einen Stützteil, der an einem zweiten Bereich, der den ersten Bereich des Separators umgibt, anhaftet oder innig befestigt ist und mit einem Randabschnitt des Einheitszellenbestandteils vereinigt ist, und eine Rippe hat, die an dem Stützteil ausgebildet ist und angepasst ist, den Separator einer anderen Einheitszellenbaugruppe zu berühren, wenn diese gestapelt ist.