DE112008000567T5 - Polymerelektrolytbrennstoffzelle - Google Patents

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Kousuke Kariya-shi Kawajira
Hideto Kariya-shi Tanaka
Tomoyuki Kariya-shi Takamura
Yoshinori Kariya-shi Shinozaki
Kazutaka Toyota-shi Iizuka
Mikio Toyota-shi WADA
Chisato Toyota-shi Kato
Nobuo Toyota-shi Kanai
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Toyota Auto Body Co Ltd
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Abstract

Polymerelektrolytbrennstoffzelle, umfassend eine Vielzahl von Separatoren zum Verhindern eines Mischens von außen zugeführten Brennstoffgases und Oxidationsgases, und Elektrodenstrukturen, die zwischen den Separatoren angeordnet sind, wobei jede der Elektrodenstrukturen eine Membranelektrodenanordnung und Kollektoren aufweist, wobei die Membranelektrodenanordnung so konfiguriert ist, dass eine Anodenelektrodenschicht und eine Kathodenelektrodenschicht mit einer vorbestimmten Elektrolytmembran einstückig ausgebildet sind, wobei die Kollektoren auf die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht gelegt werden und dazu ausgelegt sind, das über den entsprechenden Separator zugeführte Brennstoffgas in einer diffundierten Art und Weise an die Anodenelektrodenschicht zu liefern und das über den entsprechenden Separator zugeführte Oxidationsgas in einer diffundierten Weise an die Kathodenelektrodenschicht zu liefern und die über Elektrodenreaktionen in der Membranelektrodenanordnung erzeugte Elektrizität zu sammeln,
– wobei jeder der Kollektoren aus einem plattenartigen porösen Material mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern gebildet ist und einen Teil mit verringertem Lochdurchmesser aufweist, der an einem umlaufenden Randteil des Kollektors ausgebildet ist und bei...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und insbesondere auf eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Herkömmlicherweise bekannte Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind zum Beispiel in den japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschriften (Kokai) mit den Nummern 2002-184422 und 2005-317322 offenbart. Die herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzellen verwenden eine Zellstruktur. In der Zellstruktur sind eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und Metallplatten mit Fortsätzen (oder Kollektoren mit Kanälen) zwischen zwei Kohlenstoffplatten (oder zwei Separatorplatten) angeordnet. Die Membranelektrodenanordnung (MEA) enthält eine Elektrolytmembran (Elektrolyt), eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode; und eine Dichtung (ein Rahmen) ist um die Metallplatten (oder Kollektoren) herum angeordnet. In der Zellenstruktur ist durch eine Oberfläche der Membranelektrodenanordnung (MEA), eine innen umlaufende Wand der Dichtung (des Rahmens) und eine Oberfläche einer jeden der Kohlenstoffplatten (Separatorplatten) ein Zwischenraum definiert. Die Metallplatten (Kollektoren) sind in den auf diese Weise gebildeten entsprechenden Zwischenräumen untergebracht, wodurch Gasdurchgänge gebildet werden, durch welche Brennstoffgas und Oxidationsgas fließen.
  • Wie oben erwähnt, erfordern zum Ausbilden von Zwischenräumen, durch welche eingeleitetes Brennstoffgas und Oxidationsgas fließen, die herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzellen die Verwendung der Dichtung (des Rahmens).
  • Hierbei entsteht ein Problem einer Erhöhung der Anzahl von Komponenten eines Brennstoffzellenstapels (Stacks), der dadurch ausgebildet wird, dass eine große Anzahl von Zellen aufeinandergestapelt wird. Die Dichtung (der Rahmen) hat auch eine Funktion des Verhinderns eines Austretens eingeleiteten Brennstoffgases und Oxidationsgases aus der Zelle heraus. Eine Erhöhung der Anzahl von Komponenten verschlechtert die Umsetzbarkeit der Montage (des Zusammensetzens). Zum Beispiel wird die Montagearbeit wie folgt durchgeführt: Die Dichtung (der Rahmen) wird auf die Membranelektrodenanordnung (MEA) gelegt und dann mit ihr verbunden; dann werden die Metallplatten (Kollektoren) in entsprechenden Behältnisteilen der Dichtung (des Rahmens) aufgenommen; nachfolgend werden die Kohlenstoffplatten (Separatorplatten) mit der Dichtung (dem Rahmen) verbunden. Eine solche Verschlechterung bei der Umsetzbarkeit der Montage verursacht Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Produktivität von Brennstoffzellen.
  • Eine herkömmlicherweise bekannte Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die sich dieses Problems annimmt, ist zum Beispiel in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift (Kokai) mit der Nummer 2005-209607 offenbart. Bei der herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzelle wird ein Kunstharzteil zum Beispiel durch Spritzgießen auf einer Außenseite eines elektrisch leitfähigen porösen Elements angeformt. Auf diese Weise kann davon ausgegangen werden, dass das oben erwähnte Problem gelöst wird; d. h. dass die Anzahl von Komponenten verringert wird und die Umsetzbarkeit der Montage verbessert wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Allgemein fließt jedoch in dem Fall, in dem durch das Einspritzen geschmolzenen Kunstharzes ein Kunstharzteil an ein poröses Element angeformt wird, das geschmolzene Kunstharz während des Formens in das poröse Element, wobei möglicherweise eine große Anzahl im porösen Element ausgebildeter Poren gefüllt wird. Als ein Ergebnis hiervon kann es dazu kommen, dass eingeleitetes Brennstoffgas und Oxidationsgas nicht in vorteilhafter Weise an eine Membranelektrodenanordnung (MEA) geliefert werden, was potentiell zu einer Verringerung des Wirkungsgrads bei der Elektrizitätserzeugung in der Brennstoffzelle führt. In diesem Zusammenhang offenbart zum Verhindern des Einfließens geschmolzenen Kunstharzes in das poröse Element die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift (Kokai) mit der Nummer 2005-209607 Maßnahmen zum Verringern der Fluidität des geschmolzenen Kunstharzes; wenn zum Beispiel ein thermoplastisches Kunstharz verwendet wird, wird eine Formoberfläche, die mit dem porösen Element in Kontakt ist, gekühlt; und wenn ein duroplastisches Kunstharz verwendet wird, wird die Formoberfläche erhitzt.
  • Die offenbarten Maßnahmen sind jedoch nicht perfekt. Insbesondere entstehen zum Beispiel in manchen Fällen im Zusammenhang mit Variationen der physikalischen Eigenschaften der zu verwendenden Kunstharz-Pellets unter verschiedenen Losen Unterschiede in der Temperatur des Kühlens oder Erhitzens zum Verringern der Fluidität. Außerdem variiert in manchen Fällen auch die Porengröße unter den zu verwendenden porösen Elementen. In einem solchen Fall kann die Fluidität des geschmolzenen Kunstharzes nicht entsprechend gesteuert werden, was möglicherweise dazu führt, dass das Verhindern des Einfließens geschmolzenen Kunstharzes in das poröse Element fehlschlägt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben genannten Probleme gemacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit Kollektoren vorzusehen, die aus einem porösen Material gebildet sind und an die ein Kunstharzdichtungselement in einer solchen Weise angeformt wird, dass ein Einfließen geschmolzenen Kunstharzes in die Kollektoren zuverlässig verhindert wird.
  • Zur Erfüllung der oben genannten Aufgabe ist gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit einer Vielzahl von Separatoren, um ein Mischen von außen eingeleiteten Brennstoffgases und Oxidationsgases zu verhindern, sowie mit Elektrodenstrukturen vorgesehen, die zwischen den Separatoren angeordnet sind. Jede der Elektrodenstrukturen weist eine Membranelektrodenanordnung und Kollektoren auf. Die Membranelektrodenanordnung ist so ausgelegt, dass eine Anodenelektrodenschicht und eine Kathodenelektrodenschicht mit einer vorbestimmten Elektrolytmembran einstückig ausgebildet werden. Die Kollektoren werden auf die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht gelegt und sind dazu ausgelegt, das über den entsprechenden Separator zugeführte Brennstoffgas in einer diffundierten Art und Weise an die Anodenelektrodenschicht zu liefern und das über den entsprechenden Separator zugeführte Oxidationsgas in einer diffundierten Weise an die Kathodenelektrodenschicht zu liefern und die über Elektrodenreaktionen in der Membranelektrodenanordnung erzeugte Elektrizität zu sammeln. Jeder der Kollektoren ist aus einem plattenartigen porösen Material ausgebildet, das eine große Anzahl von Durchgangslöchern aufweist und einen Teil mit verringertem Lochdurchmesser hat, der an einem umlaufenden Randteil des Kollektors ausgebildet ist und in dem die Durchgangslöcher einen verringerten Durchmesser haben. Jede Elektrodenstruktur hat ein Kunstharzdichtungselement, das zum Abdichten des eingeleiteten Brennstoffgases und Oxidationsgases ausgelegt ist. Das Kunstharzdichtungselement wird durch Spritzgießen ausgebildet, das so ausgeführt wird, dass ein eingespritztes geschmolzenes Kunstharz die Teile mit verringertem Lochdurchmesser an den umlaufenden Randteilen der Kollektoren einschließt. In diesem Fall kann das plattenartige poröse Material zum Beispiel ein Metallblech sein, in dem eine große Anzahl von Durchgangslöcher in einer maschenartigen, stufenweisen Anordnung ausgebildet ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht jeder der aus einem plattenartigen porösen Material mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern ausgebildeter Kollektoren (z. B. ein Metallblech) an seinem umlaufenden Randteil die Ausbildung des Teils mit verringertem Lochdurchmesser, bei dem die Durchgangslöcher einen verringerten Durchmesser haben. Außerdem wird das Kunstharzdichtungselement durch Spritzgießen ausgebildet, das so durchgeführt wird, dass ein eingespritztes geschmolzenes Kunstharz die Teile mit verringertem Lochdurchmesser umschließt. Dank der Ausbildung des Teils mit verringertem Lochdurchmesser an jedem der Kollektoren kann im Zusammenhang mit dem Spritzgießen ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes vom umlaufenden Randteil des Kollektors aus zu einem mittleren Teil des Kollektors hin zuverlässig verhindert werden. Hierdurch werden zuverlässig und sicher Gasdurchgänge zur Lieferung von Brennstoffgas und Oxidationsgas an die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht sichergestellt. Deshalb kann ein Abfallen der Elektrizitätserzeugungsleistung zuverlässig verhindert werden, das sonst von einer fehlenden Lieferung von Brennstoffgas und Oxidationsgas während des Betriebs der Brennstoffzelle herrühren würde. Es wird darauf hingewiesen, dass der Ausdruck ”plattenartig”, der im Zusammenhang mit einem plattenartigen porösen Material verwendet wird, zum Beispiel auch eine Form mit Unregelmäßigkeiten mit einschließt.
  • Der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden der Kollektoren kann zum Beispiel dadurch ausgebildet werden, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird. Insbesondere kann der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden der Kollektoren zum Beispiel dadurch ausgebildet werden, dass der umlaufende Randteil in einem gefalteten Zustand des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird. Außerdem kann der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden der Kollektoren zum Beispiel dadurch ausgebildet werden, dass der umlaufende Randteil des Kollektors zusammen mit einem Streifen des plattenartigen porösen Materials, das über den umlaufenden Randteil gelegt wird, einer Pressbearbeitung unterzogen wird. Diese Verfahren können den Teil mit verringertem Lochdurchmesser am umlaufenden Randteil eines jeden der Kollektoren ausbilden, ohne dass dazu eine Spezialbearbeitung nötig ist und können auf diese Weise die Produktivität beträchtlich erhöhen.
  • Der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden Kollektors kann zum Beispiel auch dadurch hergestellt werden, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird, die so wirkt, dass sie Teilbereiche des umlaufenden Randteils gerade streckt. Vorzugsweise wird der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden Kollektors zum Beispiel dadurch hergestellt, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird, die so wirkt, dass versetzte Bereiche des umlaufenden Randteils gerade gestreckt werden. Durch diese Verfahren werden zum Beispiel gerade gestreckte Teile mit verringertem Lochdurchmesser, von denen jeder einen kerbförmigen Querschnitt hat, in Teilen des umlaufenden Randteils eines jeden Kollektors ausgebildet. Die geraden Teile mit verringertem Lochdurchmesser können ein Einfließen geschmolzenen Kunstharzes verhindern und ermöglichen eine flächenmäßige Verringerung der Pressbearbeitung an jedem Kollektor; als ein Ergebnis hiervon kann eine Variation in der Dicke eines Kollektors (insbesondere eine Variation in der Dicke eines mittleren Teils des Kollektors) im Zusammenhang mit der Ausbildung des Teils mit verkleinertem Lochdurchmesser eingeschränkt werden, wodurch Gasdurchgänge für Brennstoffgas und Oxidationsgas in vorteilhafter Weise sichergestellt werden können.
  • Selbst wenn ein geschmolzenes Kunstharz mit hohem Druck zum Spritzgießen eingespritzt wird, kann eine versetzte Anordnung sich gerade erstreckender Teile mit verringertem Lochdurchmesser in wirkungsvoller Weise ein Einfließen des geschmolzenen Kunstharzes verhindern. Außerdem kann eine versetzte Anordnung der geraden Teile mit verringertem Lochdurchmesser ein Seitwärtsfließen von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die durch die entsprechenden Kollektoren fließen (insbesondere einen Fluss von Gas ohne direkten Kontakt mit der Anodenelektrodenschicht und der Kathodenelektrodenschicht) einschränken. Deshalb kann von außen eingeführtes Brennstoffgas und Oxidationsgas in wirkungsvoller Weise an die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht geliefert werden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung hat jeder der Kollektoren eine Abdeckung, um ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes in Zusammenhang mit dem Spritzgießen vom umlaufenden Randteil des Kollektors aus zu einem mittleren Teil des Kollektors verhindern, und wird der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden Kollektors im Zusammenhang mit dem Verstemmen der Abdeckung auf dem umlaufenden Randteil des Kollektors ausgebildet. Gemäß diesem Merkmal kann ein Vorsehen der Abdeckung am umlaufenden Randteil eines jeden Kollektors ein Einfließen geschmolzenen Kunstharzes zuverlässiger verhindern und kann eine Ausbildung des Teils mit verringertem Lochdurchmesser am umlaufenden Randteil eines jeden Kollektors zum Beispiel ein Seitwärtsfließen von Brennstoffgas und Oxidationsgas einschränken. Deshalb kann von außen eingeführtes Brennstoffgas und Oxidationsgas in wirkungsvoller Weise an die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht geliefert werden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung hat das Kunstharzdichtungselement, das durch das Spritzgießen ausgebildet wird, eine Dicke, die im Wesentlichen gleich einer Dicke eines mittleren Teils eines jeden Kollektors ist. Hierdurch wird ein Vorgang des Zusammensetzens (z. B. des Bondierens bzw. Verbindens) der Membranelektrodenanordnung und des Kollektors mit dem angeformten Kunstharzdichtungselement sowie ein Vorgang des Zusammensetzens (z. B. Verbindens) des Kollektors mit dem Separator erleichtert. In diesem Fall ist es noch besser, wenn die Dicke des Kunstharzdichtungselements, das durch das Spritzgießen ausgebildet wird, geringfügig kleiner als die Dicke eines mittleren Teils des Kollektors ist. Hierdurch wird ein guter Kontaktzustand zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Kollektor sowie zwischen dem Kollektor und dem Separator hergestellt. Hierdurch wird ein Widerstand im Zusammenhang mit der Sammlung bzw. Ableitung von durch Elektrodenreaktionen erzeugter Elektrizität durch die Kollektoren in der Membranelektrodenanordnung sowie ein Widerstand im Zusammenhang mit der Weiterleitung der gesammelten Elektrizität von jedem der Kollektoren an den entsprechenden Separator verringert. Als ein Ergebnis hiervon kann die Leistung der Brennstoffzelle in vorteilhafter Weise aufrecht erhalten werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Schnittdarstellung, die einen Teil eines Brennstoffzellenstapels zeigt, bei dem Kollektoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • 2 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung einen Separator von 1.
  • 3 erläutert in einer Schnittdarstellung eine Elektrodenstruktur von 1.
  • Die 4(a) und 4(b) sind Ansichten zur Erläuterung eines Metallblechs, das zur Ausbildung des Kollektors verwendet wird.
  • Die 5(a) und 5(b) sind Darstellungen, die schematisch einen Sperrteil-Formungsprozess zum Formen eines Sperrteils des Kollektors gemäß der Ausführungsform zeigen, wobei 5(a) eine Ansicht ist, die schematisch einen Biegeschritt zum Falten eines umlaufenden Randteils des Kollektors zeigt, und 5(b) eine Ansicht ist, die schematisch einen Pressschritt zum Pressen des gefalteten umlaufenden Randteils zeigt.
  • 6 ist eine Darstellung, die schematisch einen Kunstharzformungsprozess zum Spritzgießen eines Kunstharzdichtungsteils zeigt.
  • 7 ist eine Darstellung zum Erläutern einer Modifikation der Ausführungsform.
  • 8 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Kollektors gemäß einer ersten Modifikation der vorliegenden Erfindung.
  • 9 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Sperrteil-Formungsprozesses gemäß der ersten Modifikation.
  • 10 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Kunstharzformungsprozesses gemäß der ersten Modifikation.
  • 11 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern einer weiteren Modifikation der ersten Modifikation.
  • 12 bezieht sich auf eine zweite Modifikation der vorliegenden Erfindung und ist eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Abdeckung, die auf dem Kollektor anzubringen ist.
  • 13 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Befestigungszustandes der Abdeckung von 12.
  • Beste Art und Weise zum Umsetzen der Erfindung
  • Es folgt eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. 1 ist eine Schnittdarstellung, in der schematisch ein Teil eines Polymerelektrolytbrennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Der Brennstoffzellenstapel hat Zellen T. Jede der Zellen T enthält ein Paar Brennstoffzellenseparatoren 10 (die hiernach einfach als Separator(en) bezeichnet werden) sowie eine Elektrodenstruktur 20, die zwischen den Separatoren 10 angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel ist so konfiguriert, dass eine große Anzahl der Zellen T aufeinander gestapelt sind, während Kühlwasserkanäle 30 zwischen den Zellen T sandwichartig angeordnet sind.
  • In dem auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellenstapel werden Brennstoffgas, wie zum Beispiel Wasserstoffgas, und Oxidationsgas, wie zum Beispiel Luft, von außen in die Zellen T eingeführt, wodurch über Elektrodenreaktionen in den Elektrodenstrukturen 20 Elektrizität erzeugt wird. Hiernach kann Brennstoffgas und Oxidationsgas kollektiv als Gas bezeichnet werden.
  • Die Separatoren 10 sind dazu ausgelegt, Gas an die Elektrodenstrukturen 20 zu liefern, während ein Vermischen von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die von außen in den Brennstoffzellenstapel eingeführt werden, verhindert wird, und über Elektrodenreaktionen in den Elektrodenstrukturen 20 erzeugte Elektrizität aus dem Brennstoffzellenstapel herauszuleiten. Deshalb ist jeder der Separatoren 10 aus einem elektrisch leitfähigen Metallblech (z. B. einem Edelstahlblech) geformt und hat, wie schematisch in 2 gezeigt, einen gestuften Teil 11, der zu seinem einen Ende hin ansteigt.
  • Wie insbesondere in 3 gezeigt, weist die Elektrodenstruktur 20 eine MEA (Membranelektrodenanordnung) 21 auf, an welcher durch die Verwendung von außen eingeführten Brennstoffgases und Oxidationsgases Elektrodenreaktionen stattfinden. Hauptkomponenten der MEA 21 sind eine Elektrolytmembran EF, eine Anodenelektrodenschicht AE und eine Kathodenelektrodenschicht CE. Die Anodenelektrodenschicht AE wird durch Legen einer Schicht eines vorbestimmten Katalysators auf eine Seite der Elektrolytmembran EF, zu der das Brennstoffgas hingeleitet wird, gebildet. Die Kathodenelektrodenschicht CE wird durch Legen einer Schicht eines vorbestimmten Katalysators auf die andere Seite der Elektrolytmembran EF gebildet, zu der Oxidationsgas hingeleitet wird. Aktionen (d. h. Elektrodenreaktionen) der Elektrolytmembran EF, der Anodenelektrodenschicht AE und der Kathodenelektrodenschicht CE sind wohlbekannt und sind nicht direkt Gegenstand der vorliegenden Erfindung; deshalb wird auf ihre detaillierte Beschreibung hier verzichtet. Die Außenseite der Anodenelektrodenschicht AE und die Außenseite der Kathodenelektrodenschicht CE der MEA 21 sind mit entsprechenden Karbonfaser-Stoffen CC bedeckt, die aus elektrisch leitfähigen Fasern bestehen. Die MEA 21 kann gegebenenfalls auch ohne die Verwendung der Karbonfaser-Stoffe CC konfiguriert werden.
  • Die Elektrodenstruktur 20 weist ein Paar Kollektoren 22 auf, zwischen denen die MEA 21 sandwichartig angeordnet ist und die das Brennstoffgas und Oxidationsgas, das über die Separatoren 10 eingeleitet wird, in entsprechender Weise diffundieren sowie Elektrizität sammeln, die über die Elektrodenreaktionen erzeugt wird. Wie in 4(a) gezeigt, ist jeder der Kollektoren 22 aus einem Metallblech (das hiernach als Metallblech MR bezeichnet wird) gebildet, in dem eine große Anzahl von Durchgangslöchern (von denen jedes eine im Wesentlichen sechseckige Form in 4(a) hat) eines kleinen Durchmessers in einer maschenartigen Anordnung ausgebildet ist. Das Metallblech MR ist zum Beispiel aus einem Metallblech (vorzugsweise einem Edelstahlblech oder dergleichen), das eine Dicke von ungefähr 0,1 mm hat, und die große Anzahl von Durchgangslöchern, die im Metallblech MR ausgebildet sind, haben jeweils einen Durchmesser von 0,1 bis 1 mm. Wie in 4(b) gezeigt, bei der es sich um eine Seitenansicht in Links-Rechts-Richtung von 4(a) handelt, sind Teile, die entsprechende Durchgangslöcher bilden, in einer sich in Abfolge überlagernden Weise miteinander verbunden und haben in der Schnittansicht eine stufenartige Anordnung. Das Metallblech MR kann durch ein beliebiges bekanntes Herstellungsverfahren geformt werden. Deshalb wird hier auf eine Beschreibung dessen, wie das Metallblech MR geformt wird, verzichtet.
  • Wie aus 3 hervorgeht, hat jeder der Kollektoren 22 einen Sperrteil 22a an einem umlaufenden Randteil des Metallblechs MR, das eine rechteckige Form und eine Größe hat, die zur Ausbildung der Zelle T geeignet ist. Der Sperrteil 22a ist ein Teil mit verringertem Lochdurchmesser, in dem die in einer maschenartigen Weise angeordneten Durchgangslöcher gequetscht sind, um dadurch ihren Durchmesser zu verringern. Wie später noch beschrieben wird, wird der Sperrteil 22a dazu gebildet, dass verhindert wird, dass zur Zeit des Spritzgießens eines Kunstharzdichtungsteils 23, der dazu ausgelegt ist, die MEA 21 und die Kollektoren 22 zusammen in einem Stück zu fixieren und ein Austreten eingeleiteten Brennstoffgases und Oxidationsgases zu verhindern, ein Einfließen geschmolzenen Kunstharzes hin zu den mittleren Teilen der Kollektoren 22 zu verhindern. Ein Sperrteil-Bildungsprozess zum Bilden des Sperrteils 22a wird als Nächstes im Einzelnen beschrieben.
  • Wie schematisch in den 5(a) und 5(b) gezeigt, besteht der Sperrteil-Bildungsprozess aus einem Biegeschritt zum Falten eines umlaufenden Randteils des Metallblechs MR und einem Pressschritt zum Verpressen des umgefalteten umlaufenden Randteils und eines Hauptteils des Metallblechs MR, um so die in einer maschenartigen Weise angeordneten Durchgangslöcher zusammenzuquetschen, wodurch der Sperrteil 22a gebildet wird. Wie aus 5(a) hervorgeht, verwendet der Biegeschritt hauptsächlich eine Biegemaschine M, die einen oberen Stempel UE mit einem keilartigen Kopf sowie ein unteres Gesenk SE mit einer V-förmigen Vertiefung zum Aufnehmen des oberen Stempels UE zusammen mit einem Teil des Metallblechs MR aufweist, um den umlaufenden Randteil des Metallblechs MR umzufalten.
  • Beim Biegeschritt wird zunächst ein rechteckiges Metallblech MR einer vorbestimmten Größe auf das untere Gesenk SE gelegt. Als Nächstes wird der obere Stempel UE auf das Metallblech MR, das auf dem unteren Gesenk SE liegt, abgesenkt, bis der keilartige Kopf des oberen Stempels UE das Metallblech MR berührt. In diesem Zustand wird der obere Stempel UE weiter abgesenkt, um so den keilartigen Kopf des oberen Stempels UE zusammen mit einem Teil des Metallblechs MR in die Vertiefung des unteren Gesenks SE zu bewegen. Ein Pressen des keilartigen Kopfs des oberen Stempels UE gegen die Oberfläche eines Teils des Metallblechs MR verursacht, dass der Teil des Metallblechs MR zur Vertiefung des unteren Gesenks SE hin verformt wird. Demnach wird mit einem weiteren Absenken des oberen Stempels UE ein umlaufender Randteil des Metallblechs MR in einem spitzen Winkel zum oberen Stempel UE hin gebogen. Dann wird der obere Stempel UE zum Zurückziehen angehoben. Danach wird der im spitzen Winkel gebogene Teil des Metallblechs MR weiter zum Hauptteil des Metallblechs MR hin gebogen, wodurch der Biegeschritt abgeschlossen wird. In der folgenden Beschreibung wird das Metallblech MR, dessen umlaufender Randteil umgefaltet ist, als ein gefaltetes Werkstück bezeichnet.
  • Als Nächstes wird das gefaltete Werkstück zum Pressschritt verbracht. Im Pressschritt wird, wie aus 5(b) hervorgeht, der Sperrteil 22a durch die Verwendung einer gewöhnlichen Presse P mit einem flachen oberen Gesenk UH und einem flachen unteren Gesenk SH geformt. Im Pressschritt wird, wenn das gefaltete Werkstück auf das untere Gesenk SH gelegt wird, das obere Gesenk UH abgesenkt und der gefaltete Teil des gefalteten Werkstücks selektiv gepresst, um es zu quetschen. Zu dieser Zeit presst das obere Gesenk UH den gefalteten Teil des gefalteten Werkstücks, so dass ein resultierender umlaufender Randteil des Metallblechs MR eine Dicke hat, die geringfügig größer als die des Hauptteils (Mittelteils) des Metallblechs MR ist. Als ein Ergebnis hiervon werden im gepressten Teil, d. h. im umlaufenden Randteil des Metallblechs MR, die Durchgangslöcher zusammengequetscht. Auf diese Weise wird der den Sperrteil 22a aufweisende Kollektor 22 geformt.
  • Dann wird, während die MEA 21 zwischen den beiden Kollektoren 22 sandwichartig eingeklemmt ist (hiernach wird die resultierende Anordnung als eine Primäranordnung bezeichnet), der Kunstharzdichtungsteil 23 an die Sperrteile 22a der Kollektoren 22 angeformt, wodurch die Elektrodenstruktur 20 gebildet wird. Der Kunstharzdichtungsteil 23 hat die Funktion des Einführens von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die von außerhalb des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden, zur Zelle T und, wie später beschrieben wird, die Funktion des Abdichtens eingeführten Brennstoffgases und Oxidationsgases in entsprechenden Zwischenräumen zwischen der Elektrodenstruktur 20 und den Sparatoren 10, wobei die Elektrodenstruktur 20 sandwichartig zwischen den Separatoren 10 eingeklemmt ist.
  • Wie in 1 gezeigt, hat der Kunstharzdichtungsteil 23 ein Durchgangsloch 23a zum Einleiten von Brennstoffgas und ein Durchgangsloch 23b zum Einleiten von Oxidationsgas. Auch wenn das hier nicht gezeigt ist, hat der Kunstharzdichtungsteil 23 in manchen Fällen Durchgangslöcher (Auslassanschlüsse) zum Auslassen eingeführten Gases aus der Brennstoffzelle heraus. Wie später noch zu beschreiben ist, hat der Kunstharzdichtungsteil 23 eine Dicke, die im Wesentlichen gleich (besser noch geringfügig kleiner als) diejenige der Primäranordnung ist, um einen Dichtungseffekt zu erzielen, wenn Brennstoffgas und Oxidationsgas in die Elektrodenstruktur 20 eingeführt werden, und um die in der MEA 21 erzeugte Elektrizität wirkungsvoll über die Kollektoren 22 und die Separatoren 10 aus der Brennstoffzelle herauszuleiten. Es folgt eine Beschreibung des Kunstharzformungsprozesses zum Formen des Kunstharzdichtungsteils 23.
  • Beim Kunstharzformungsprozess wird der Kunstharzdichtungsteil 23 durch Spritzgießen an einen umlaufenden Randteil der Primäranordnung, insbesondere an die Sperrteile 22a der Kollektoren 22 angeformt. Wie schematisch in 6 gezeigt, formt der Kunstharzformungsprozess den Kunstharzdichtungsteil 23 durch die Verwendung einer Spritzgussform, die eine untere Schale SI, auf die die Primäranordnung gelegt wird, sowie eine obere Schale UI aufweist, in welche der umlaufende Randteil der Primäranordnung eingeführt wird und durch welche geschmolzenes Kunstharz eingespritzt wird. Insbesondere wird beim Kunstharzformungsprozess zuerst die Primäranordnung auf die untere Schale SI der Spritzgussform gelegt. Als Nächstes wird die obere Schale UI der Spritzgussform abgesenkt und eine Formeinspannung durchgeführt, um so den umlaufenden Randteil der Primäranordnung mit der Wand eines in der oberen Schale UI ausgebildeten Hohlraums in einer solchen Weise zu verformen, dass der umlaufende Randteil der Primäranordnung eine Dicke hat, die geringfügig kleiner als diejenige eines Hauptteils der Primäranordnung ist. Dann wird geschmolzenes Kunstharz unter einem vorbestimmten Druck durch einen in der oberen Schale UI ausgebildeten Einlauf eingespritzt. Bei einem einzuspritzenden Kunstharz kann es sich um eines handeln, das von außen eingeleitetes Brennstoffgas (Wasserstoffgas) und Oxidationsgas (Luft) abdichten kann und dazu fähig ist, im Zusammenhang mit Elektrodenreaktionen erzeugter Wärme zu widerstehen. Insbesondere kann ein duroplastisches Kunstharz (z. B. Glasepoxidharz) oder ein Elastomerkunstharz verwendet werden.
  • Bei der Ausbildung des Kunstharzdichtungsteils 23 verhindern die Sperrteile 22a in vorteilhafter Weise ein Einfließen geschmolzenen Kunstharzes, das durch den Einlauf hindurch eingespritzt wird, zu einem mittleren Teil der Primäranordnung (insbesondere zu mittleren Teile der Kollektoren 22) hin. Das heißt, dass, wie oben erwähnt, der Pressschritt Durchgangslöcher in umlaufenden Randteilen der Kollektoren 22 zusammenquetscht und die obere Schale der Spritzgussform die umlaufenden Randteile der Kollektoren 22 weiter verformt; auf diese Weise werden Durchgangslöcher in den Sperrteilen 22a der Kollektoren 22 vollständig zusammengequetscht. Deshalb kann das geschmolzene Kunstharz, das in den Hohlraum eingespritzt wird, daran gehindert werden, über die Sperrteile 22a hinaus nach innen zu fließen.
  • Wie oben beschrieben, wird, da an der Primäranordnung der Sperrteil-Formungsprozess und der Kunstharzformungsprozess ausgeführt wird, der Kunstharzdichtungsteil 23 an diese angeformt, wodurch die Elektrodenstruktur 20 entsteht. Die auf diese Weise hergestellte Elektrodenstruktur 20 ist zwischen den beiden Separatoren 10 angeordnet, wie in 1 gezeigt, und die Separatoren 10 und der Kunstharzdichtungsteil 23 werden zum Beispiel durch die Verwendung eines Klebstoffs miteinander verbunden, wodurch die Zelle T gebildet wird. Zu dieser Zeit hat der Kunstharzdichtungsteil 23 eine Dicke, die im Wesentlichen gleich der oder geringfügig kleiner als die Dicke der Elektrodenstruktur 20 ist. Deshalb drücken die Separatoren 10, wenn die Separatoren 10 mit dem Kunstharzdichtungsteil 23 verbunden werden, die entsprechenden Kollektoren 22 zur MEA 21 hin. Hierdurch wird ein guter Kontaktzustand zwischen der MEA 21 und den Kollektoren 22 sowie ein guter Kontaktzustand zwischen den Kollektoren 22 und den entsprechenden Separatoren 10 hergestellt.
  • Eine vorbestimmte Anzahl von Zellen T wird so gestapelt, dass die Kühlwasserkanäle 30 zwischen den Zellen T angeordnet sind; insbesondere sind die Kühlwasserkanäle 30 in einem Zwischenraum angeordnet, der zwischen den Zellen T durch die einander gegenüberliegenden Separatoren 10 gebildet wird, wodurch ein Brennstoffzellenstapel entsteht. Wie in 1 gezeigt, sind die Kühlwasserkanäle 30 eine große Anzahl gegenläufiger Kanäle. Kühlwasser wird durch einen nicht gezeigten Einlass eingeleitet, fließt durch die gegenläufigen Kanäle und wird durch einen nicht gezeigten Auslass ausgeleitet.
  • Mittels der Anordnung der Kühlwasserkanäle 30 zwischen den Separatoren 10 kann in den MEAs 21 der Elektrodenstrukturen 20 über Elektrodenreaktionen erzeugte Wärme wirkungsvoll abgeleitet werden. Insbesondere wird in den MEA 21 durch Elektrodenreaktionen erzeugte Wärme über die Kollektoren 22 an die Separatoren 10 geleitet. Hierbei kann Reaktionswärme, die über die Kollektoren 22 an die Separatoren 10 geleitet wird, da die Separatoren 10 mit Kühlwasser in Kontakt sind, das durch die Kühlwasserkanäle 30 fließt, an das Kühlwasser abgegeben werden. Deshalb kann die durch die Elektrodenreaktionen erzeugte Wärme wirkungsvoll abgeleitet werden, wodurch die Elektrodenstrukturen 20 wirksam gekühlt werden können.
  • Wie in 1 gezeigt, wird in dem auf diese Weise hergestellten Brennstoffzellenstapel von außen zugeführtes Brennstoffgas über die Durchgangslöcher 23a, die in den Kunstharzdichtungsteilen 23 ausgebildet sind, an die Zellen T geliefert, und wird von außen zugeführtes Oxidationsgas über die Durchgangslöcher 23b, die in den Kunstharzdichtungsteilen 23 ausgebildet sind, an die Zellen T geliefert. Brennstoffgas wird über die gestuften Teile 11 der Separatoren 10, die mit den Durchgangslöchern 23a in Verbindung stehen, an die Seite der Anodenelektrodenschicht AE der Elektrodenstrukturen 20 geleitet, und Oxidationsgas wird über die gestuften Teile 11 der Separatoren 10, die mit den Durchgangslöchern 23b in Verbindung stehen, auf die Seite der Kathodenelektrodenschicht CE der Elektrodenstrukturen 20 geleitet.
  • Auf diese Weise eingeleitetes Brennstoffgas und Oxidationsgas fließt durch eine große Anzahl von Durchgangslöchern, die in den Kollektoren 22 in einer maschenartigen Anordnung ausgebildet sind, wodurch das Gas entsprechend diffundiert und an die Anodenelektrodenschicht AE bzw. die Kathodenelektrodenschicht CE geliefert wird. Da die Sperrteile 22a der Kollektoren 22 ein Einfließen von Harz zur Zeit der Ausbildung des Kunstharzdichtungsteils 23 verhindert haben, verfügen Mittelteile der Kollektoren 22 über ausreichend Raum für den Gasfluss. Als ein Ergebnis hiervon kann ausreichend Brennstoffgas an die Anodenelektrodenschicht AE geliefert werden und kann ausreichend Oxidationsgas an die Kathodenelektrodenschicht CE geliefert werden. Deshalb kann die Brennstoffzelle eine ausgezeichnete Elektrizitätserzeugungsleistung liefern.
  • Darüber hinaus sind die MEA 21 und die Kollektoren 22 in einem guten Kontaktzustand und sind die Kollektoren 22 und die entsprechenden Separatoren 10 in einem guten Kontaktzustand; auf diese Weise kann die über Elektrodenreaktionen in der MEA 21 erzeugte Elektrizität wirksam aus der Brennstoffzelle herausgeleitet werden. Das heißt, dass ein guter Kontaktzustand der Kollektoren 22 mit der MEA 21 und mit den entsprechenden Separatoren 10 die Kontaktfläche zwischen den Elementen vergrößert. Deshalb kann ein im Zusammenhang mit der Sammlung der in der MEA 21 erzeugten Elektrizität auftretender Widerstand (ein Elektrizitätssammelwiderstand) beträchtlich verringert werden, so dass die erzeugte Elektrizität wirksam gesammelt werden kann; d. h. die Elektrizität kann mit einem verbesserten Wirkungsgrad der Elektrizitätssammlung gesammelt werden.
  • Wie aus der oben angegebenen Beschreibung hervorgeht, erlaubt gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der Kollektor 22, der aus dem Metallblech MR ausgebildet wird, das eine große Anzahl von Durchgangslöchern aufweist, an seinem umlaufenden Randteil die Ausbildung des Sperrteils 22a, der als ein Teil mit verringertem Lochdurchmesser dient. Auch der Kunstharzdichtungsteil 23 kann durch Spritzgießen an die Sperrteile 22a angeformt werden, welches so ausgeführt wird, dass die Sperrteile 22a in einen Formhohlraum eingeführt werden. Dank des Ausbildens des Sperrteils 22a am Kollektor 22 kann im Zusammenhang mit dem Spritzgießen ein Einfließen geschmolzenen Kunstharzes zu den mittleren Teilen der Kollektoren 22 hin zuverlässig verhindert werden. Auf diese Weise werden Gasdurchgänge zum Zuführen von Brennstoffgas und Oxidationsgas zur Anodenelektrodenschicht AE bzw. zur Kathodenelektrodenschicht CE zuverlässig und sauber sichergestellt. Deshalb kann ein Abfall in der Elektrizitätserzeugungsleistung zuverlässig vermieden werden, der sonst von einer mangelnden Zufuhr von Brennstoffgas und Oxidationsgas während des Betriebs der Brennstoffzelle herrühren würde.
  • Der Sperrteil 22a kann dadurch ausgebildet werden, dass ein umlaufender Randteil des Kollektors 22 einer Pressbearbeitung unterzogen wird. Deshalb kann der Sperrteil 22 am umlaufenden Randteil des Kollektors 22 ausgebildet werden, ohne dass dazu eine spezielle Bearbeitung nötig ist, so dass die Produktivität beträchtlich verbessert werden kann.
  • Mittels des Kunstharzdichtungsteils 23, der eine Dicke hat, die im Wesentlichen gleich der oder geringfügig kleiner als die des Kollektors 22 ist, kann ein guter Kontaktzustand zwischen der MEA 21 und den Kollektoren 22 sowie zwischen den Kollektoren 22 und den entsprechenden Separatoren 10 hergestellt werden. Auf diese Weise kann ein Kontaktwiderstand, der bei der Sammlung der durch Elektrodenreaktionen in der MEA 21 erzeugten Elektrizität durch die Kollektoren 22 auftritt, sowie ein Kontaktwiderstand, der bei der Weiterleitung der gesammelten Elektrizität von den Kollektoren 22 an die entsprechenden Separatoren 10 auftritt, verringert werden. Als ein Ergebnis hiervon kann die Leistung der Brennstoffzelle in vorteilhafter Weise aufrechterhalten werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird bei dem Sperrteil-Formungsprozess ein umlaufender Randteil des Metallblechs MR dem Biegeschritt unterzogen, worauf der Pressschritt folgt, wodurch der Sperrteil 22a ausgebildet wird. Der Biegeschritt kann jedoch auch aus dem Sperrteil-Formungsprozess zur Herstellung des Sperrteils 22a weggelassen werden. Insbesondere wird, wie schematisch in 7 gezeigt, ein Streifen eines Metallblechs mit Abmessungen, die dem Sperrteil 22a entsprechen (hiernach als Sperrmetallblech MM bezeichnet), vorbereitet. Das Sperrmetallblech MM wird auf einen umlaufenden Randteil des Metallblechs MR gelegt. Das Sperrmetallblech MM und der umlaufende Randteil des Metallblechs MR, die in Schichten angeordnet sind, werden dem oben erwähnten Pressschritt unterzogen, wodurch der Sperrteil 22a in ähnlicher Weise zu der oben beschriebenen Ausführungsform hergestellt werden kann. Selbst in diesem Fall ist ein ähnlicher Effekt wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform zu erwarten und kann die Produktivität der Kollektoren 22 verbessert werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird bei dem Sperrteil-Formungsprozess ein umlaufender Randteil des Metallblechs MR dem Biegeschritt unterzogen, worauf der Pressschritt folgt, wodurch der Sperrteil 22a hergestellt wird. Für eine bestimmte Art von Kunstharz, das zum Herstellen des Kunstharzdichtungsteils 23 verwendet wird, kann jedoch auch ein geschmolzenes Kunstharz mit einem hohen Einspritzdruck in einen Formhohlraum eingespritzt werden. In diesem Fall kann es dazu kommen, wie das auch bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, bei der Durchgangslöcher im Metallblech MR durch die Pressbearbeitung lediglich gequetscht werden, dass ein hoher Einspritzdruck dazu führt, dass das geschmolzene Kunstharz durch den Sperrteil 22a hindurch gelangt, was zu einem Einfließen des geschmolzenen Kunstharzes zu einem mittleren Teil des Kollektors 22 hin führt. Deshalb ist es wünschenswert, einen Sperrteil 22a auszubilden, der dazu fähig ist, ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes zuverlässiger zu verhindern. Es folgt eine Beschreibung einer ersten Modifikation zum Ausbilden des Sperrteils 22a, der dazu fähig ist, ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes zuverlässiger zu verhindern. Bei der Beschreibung der ersten Modifikation werden Merkmale, die denjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und wird auf ihre Beschreibung im Einzelnen verzichtet.
  • Wie bei der ersten Modifikation wird der Kollektor 22 aus dem Metallblech MR gebildet. Wie in 8 gezeigt, besteht gemäß der ersten Modifikation der Sperrteil 22a aus einem eingekerbt geformten Teil 22a1 und einem gequetschten Teil 22a2. Der eingekerbt geformte Teil 22a1 ist in der Nachbarschaft eines umlaufenden Randteils des Metallblechs MR ausgebildet und weist eine Vielzahl gerader Kerben auf, die jeweils einen U-förmigen Querschnitt haben und in einer versetzten Weise angeordnet sind. Der gequetschte Teil 22a2 ist außerhalb des eingekerbt geformten Teils 22a1 ausgebildet; d. h. am umlaufenden Randteil des Metallblechs MR, indem die maschenartigen Durchgangslöcher im umlaufenden Randteil des Metallblechs MR zusammengequetscht werden.
  • Der eingekerbt geformte Teil 22a1 und der gequetschte Teil 22a2 werden durch Ausführen eines Sperrteil-Formungsprozesses gemäß der ersten Modifikation gleichzeitig ausgebildet. Wie schematisch in 9 gezeigt, formt der Sperrteil-Formungsprozess gemäß der ersten Modifikation den eingekerbt geformten Teil 22a1 und den gequetschten Teil 22a2 gleichzeitig durch die Verwendung einer Presse, die mit einem oberen Gesenk UE1 ausgerüstet ist, das Fortsätze zum Ausbilden des eingekerbt geformten Teils 22a1 auf der oberen Seite des Metallblechs MR und eine Erhebung zum Formen des gequetschten Teils 22a2 aufweist; und die mit einem unteren Gesenk SE1 ausgerüstet ist, das Fortsätze zum Ausbilden des eingekerbt geformten Teils 22a1 auf der Unterseite des Metallblechs MR aufweist.
  • Insbesondere wird das Metallblech MR mit einer rechteckigen Form und einer vorbestimmten Größe zuerst auf das untere Gesenk SE1 transportiert. Als Nächstes wird das obere Gesenk UE1 zum auf das untere Gesenk SE1 gelegten Metallblech MR abgesenkt, bis die Erhebung des oberen Gesenks UE1 das Metallblech MR berührt. In diesem Zustand wird das obere Gesenk UE1 weiter abgesenkt, wodurch die Erhebung des oberen Gesenks UE1 den umlaufenden Randteil des Metallblechs MR zusammenpresst und die Durchgangslöcher im umlaufenden Randteil allmählich zusammengequetscht werden. Währenddessen beginnen die Fortsätze des oberen Gesenks UE1, während die Erhebung des oberen Gesenks UE1 den umlaufenden Randteil des Metallblechs MR presst, mit dem Pressen der Oberseite des Metallblechs MR, und beginnen die Fortsätze des unteren Gesenks SE1 mit dem Pressen der Unterseite des Metallblechs MR. Wenn das obere Gesenk UE1 zu einer vorbestimmten Position im Verhältnis zum unteren Gesenk SE1 abgesenkt wird, werden der eingekerbt geformte Teil 22a1 und der gequetschte Teil 22a2 gleichzeitig ausgebildet, wobei der Kollektor 22 mit dem Sperrteil 22a entsteht.
  • Wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform bilden die MEA 21 und die beiden Kollektoren 22, an denen jeweils der Sperrteil 22a ausgebildet ist, eine Primäranordnung. Der Kunstharzdichtungsteil 23 wird an die Sperrteile 22a der Kollektoren 22 der Primäranordnung angeformt, wodurch die Elektrodenstruktur 20 entsteht. Wie oben beschrieben, unterscheidet sich der Kunstharzformungsprozess gemäß der ersten Modifikation geringfügig gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform.
  • Wie in 10 schematisch gezeigt, verwendet der Kunstharzformungsprozess gemäß der ersten Modifikation eine Spritzgussform, deren untere Schale SI1 und obere Schalte UI1 Fortsätze gemäß den Kerben der eingekerbt geformten Teile 22a1 aufweisen, die an den Sperrteilen 22a der Kollektoren 22 ausgebildet sind. Wenn die Primäranordnung auf die untere Schale SI1 gelegt wird, werden die auf der unteren Schale SI1 ausgebildeten Fortsätze in die entsprechenden Kerben des eingekerbt geformten Teils 22a1 des unteren Kollektors 22 eingepasst. Wenn die obere Schale UI1 abgesenkt wird, werden die an der oberen Schale UI1 ausgebildeten Fortsätze in die entsprechenden Kerben des eingekerbt geformten Teils 22a1 des oberen Kollektors 22 eingepasst. In diesem Zustand wird das Formeinspannen durchgeführt. Dann wird ein geschmolzenes Kunstharz mit einem vorbestimmten Einspritzdruck über einen in der oberen Schale UI1 ausgebildeten Einlauf eingespritzt.
  • Im Vergleich mit dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Ausbildung des Kunstharzdichtungsteils 23 gemäß der ersten Modifikation in noch vorteilhafterer Weise ein Einfließen des durch den Einlauf eingespritzten geschmolzenen Kunstharzes zu den mittleren Teilen des Kollektors 22 hin verhindert werden. Insbesondere besteht, wie oben erwähnt, gemäß der ersten Modifikation der Sperrteil 22a aus dem eingekerbt geformten Teil 22a1 und dem gequetschten Teil 22a2. Auf diese Weise verhindern wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform die gequetschten Teile 22a2 ein Einfließen des durch den Einlauf der oberen Schale UI1 eingespritzten geschmolzenen Kunstharzes zu den mittleren Teilen der Kollektoren 22 hin. Ferner verhindern auch die Kerben, die im eingekerbt geformten Teil 22a1 in einer versetzten Anordnung ausgebildet sind, ein Einfließen des geschmolzenen Kunstharzes. Insbesondere wird das geschmolzene Kunstharz in einem Zustand eingespritzt, in dem die Fortsätze der oberen und unteren Schalen UI1 und SI1 in die entsprechenden Kerben des eingekerbt geformten Teils 22a1 eingepasst sind. Deshalb versperren zum Beispiel, selbst wenn das geschmolzene Kunstharz mit einem hohen Einspritzdruck eingespritzt wird, die Fortsätze der oberen und der unteren Schale UI1 bzw. SI1 dem geschmolzenen Kunstharz den Weg; als ein Ergebnis hiervon kann ein Einfließen des geschmolzenen Kunstharzes zu den mittleren Teilen der Kollektoren 22 hin zuverlässiger verhindert werden.
  • Gemäß der ersten Modifikation wird ein Spritzgießen in einem Zustand durchgeführt, in dem die Fortsätze in der oberen und unteren Schale UI1 bzw. SI1 in diese Kerben der eingekerbt ausgebildeten Teile 22a1 eingepasst sind, die an den ersten Seiten des Metallblechs MR ausgebildet sind. In diesem Fall verfestigt sich ein Teil des geschmolzenen Kunstharzes, das durch die gequetschten Teile 22a2 hindurch gelangt ist, in den an den zweiten Seiten der Metallbleche MR ausgebildeten Kerben. Diesem Umstand ist es zu verdanken, dass zum Beispiel, wenn Gas von außen in die Zellen T eines Brennstoffzellenstapels eingeleitet wird, in den Kerben verfestigtes Kunstharz ein Seitwärtsfließen von Gas durch die Kollektoren 22 verhindert. Deshalb kann auch in der ersten Modifikation ein ähnlicher Effekt wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform erzielt werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen ersten Modifikationen haben Kerben des eingekerbt geformten Teils 22a1 jeweils einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt. Wie in 11 schematisch gezeigt, kann jedoch auch jede der Kerben einen im Wesentlichen V-förmigen Querschnitt haben. Selbst wenn der eingekerbt geformte Teil 22a1 so geformt wird, dass die darin ausgebildeten Kerben einen im Wesentlichen V-förmigen Querschnitt haben, ist ein ähnlicher Effekt wie in dem Fall der oben beschriebenen ersten Modifikation zu erwarten.
  • Gemäß der oben beschriebenen ersten Modifikation werden in dem Sperrteil-Formungsprozess der eingekerbt geformte Teil 22a1 und der gequetschte Teil 22a2 geformt und wird in dem nachfolgenden Kunstharzformungsprozess der Kunstharzdichtungsteil 23 geformt, während die Fortsätze der oberen und der unteren Formschale UI1 bzw. SI1 in die entsprechenden Kerben eingepasst sind. Wie oben erwähnt, kann, da der eingekerbt geformte Teil 22a1 einen Fluss eines geschmolzenen Kunstharzes versperren kann, der gequetschte Teil 22a2 weggelassen werden. In diesem Fall kann auf den Sperrteil-Formungsprozess verzichtet werden und eine Ausbildung des eingekerbt geformten Teils 22a1 und ein Spritzgießen des Kunstharzdichtungsteils 23 gleichzeitig im Kunstharzformungsprozess ausgeführt werden. Vor allem können in diesem Fall Kerben in dem eingekerbt geformten Teil 22a1 in engeren Intervallen ausgebildet werden.
  • Insbesondere wird beim Kunstharzformungsprozess eine Primäranordnung, in der die MEA 21 zwischen den rechteckigen Metallblechen MR sandwichartig eingeklemmt ist, von denen jedes eine vorbestimmte Größe hat, auf die untere Formschale SI1 gelegt; nachfolgend wird die obere Formschale UI1 abgesenkt, um die Formeinspannung durchzuführen. Als ein Ergebnis hiervon quetschen die Fortsätze der oberen Formschale UI1 entsprechende Teile der oberen Seite des oberen Metallblechs MR und quetschen die Fortsätze der unteren Formschale SI1 entsprechende Teile der unteren Seite des unteren Metallblechs MR, wodurch Kerben der eingekerbt geformten Teile 22a1 wie im Fall der oben beschriebenen ersten Modifikation ausgebildet werden. In diesem Zustand wird geschmolzenes Kunstharz eingespritzt, wodurch der Kunstharzdichtungsteil 23 angeformt wird. Deshalb ist auch in diesem Fall ein Effekt, der mit demjenigen der oben erwähnten ersten Ausführungsform gleichwertig ist, zu erwarten; zusätzlich kann, da der Sperrteil-Formungsprozess weggelassen werden kann, die Produktivität beträchtlich verbessert werden. Da lediglich Kerben des eingekerbt geformten Teils 22a1 im Kollektor 22 gebildet werden, entsteht außerdem keine große Verformung. Hierdurch wird eine Variation der Dicke des Kollektors 22 im Zusammenhang mit der Ausbildung der Kerben verringert, so dass ein Gasdurchgang in vorteilhafter Weise garantiert werden kann.
  • Gemäß der oben beschriebenen ersten Modifikation wird der Kunstharzdichtungsteil 23 an der Primäranordnung, die aus der MEA 21 und einem Paar Kollektoren 22 besteht, spritzgegossen. Das folgende Verfahren ist jedoch ebenfalls möglich: Jeder der beiden Kollektoren 22 wird in einen Hohlraum eingeführt, der durch die obere Formschale UI1 und die untere Formschale SI1 gebildet wird, und der Kunstharzdichtungsteil 23 wird an jedem der Kollektoren 22 spritzgegossen. Auf diese Weise können die Fortsätze der oberen und der unteren Formschalen UI1 und SI1 in die entsprechenden Kerben des eingekerbt geformten Teils 22a1 eingefügt werden, wobei die Kerben auf der oberen und der unteren Seite des Metallblechs MR in einer versetzten Anordnung ausgebildet werden, so dass ein Fluss eines geschmolzenen Kunstharzes zuverlässiger versperrt werden kann. In diesem Fall kann die MEA 21 zwischen den Kollektoren 22 sandwichartig eingeklemmt werden, an welche die entsprechenden Kunstharzdichtungsteile 23 angeformt werden, wodurch die Zelle T gebildet wird.
  • Gemäß der oben beschriebenen ersten Modifikation werden die Kerben in einer versetzten Anordnung ausgebildet, wodurch der eingekerbt geformte Teil 22a1 geformt wird. Zum Beispiel kann jedoch auch eine gerade Kerbe durchgehend entlang einem Rand des Metallblechs MR mit einer vorbestimmten Größe ausgebildet werden. Selbst in diesem Fall ist ein ähnlicher Effekt wie in dem Fall der oben beschriebenen ersten Modifikation zu erwarten, da die gerade gebildete Kerbe einen Fluss eines geschmolzenen Kunstharzes versperren kann.
  • Die oben beschriebene Ausführungsform verwendet einen Kollektor 22, dessen Sperrteil 22a durch Verquetschen von Durchgangslöchern in einem umlaufenden Randteil des Metallblechs MR gebildet wird. Der Sperrteil 22a verhindert zur Zeit des Ausbildens des Kunstharzdichtungsteils 23 durch das Spritzgießen ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes zu einem mittleren Teil des Kollektors 22 hin. Anstelle oder zusätzlich hierzu kann eine Abdeckung zum Verhindern eines Einfließens eines geschmolzenen Kunstharzes an einem umlaufenden Randteil des rechteckigen Metallblechs MR mit einer vorbestimmten Größe angebracht werden. Diese zweite Modifikation wird im Folgenden im Einzelnen beschrieben. Bei der Beschreibung der zweiten Modifikation werden Merkmale, die denjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform ähneln, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es wird auf ihre detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • Auch bei der zweiten Modifikation wird der Kollektor 22 aus dem Metallblech MR gebildet. Gemäß der zweiten Modifikation wird, wie in 12 gezeigt, eine Abdeckung 24 an einem umlaufenden Randteil des Metallblechs MR angebracht, wodurch der Kollektor 22 gebildet wird. Die Abdeckung 24 wird aus einem Metallblech (z. B. einem Edelstahlblech) gebildet und hat einen Querschnitt, der einem eckigen U entspricht.
  • Die Abdeckung 24 durchläuft einen Abdeckungsanbringungsprozess, der dem Sperrteil-Formungsprozess in der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist, wodurch sie am Metallblech MR angebracht wird. Insbesondere wird an der Abdeckung 24, die an einem umlaufenden Randteil des Metallblechs MR angebracht ist, ein bekanntes Verstemmen durchgeführt, wodurch, wie in 13 gezeigt, die Abdeckung 24 auf dem Metallblech MR befestigt wird. Zu dieser Zeit werden im Zusammenhang mit dem Verstemmen der Abdeckung 24 auf dem Metallblech MR die Durchgangslöcher im umlaufenden Randteil des Metallblechs MR verquetscht.
  • Die MEA 21 und die beiden Kollektoren 22, auf denen jeweils die Abdeckung 24 an dem Randteil angebracht ist, bilden zusammen eine Primäranordnung. Der Kunstharzdichtungsteil 23 wird entlang den Abdeckungen 24 der Kollektoren 22 der Primäranordnung angeformt, wodurch sich die Elektrodenstruktur 20 ergibt. Auch in der zweiten Modifikation wird ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Kunstharzdichtungsteil 23 am umlaufenden Randteil des Kollektors 22 durch den Kunstharzformungsprozess spritzgegossen.
  • Gemäß der zweiten Modifikation wird die Abdeckung 24 an jedem der Metallbleche MR befestigt; auf diese Weise kann, wenn der Kunstharzdichtungsteil 23 gebildet wird, ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes, das durch einen Einlauf eingespritzt wird, zu mittleren Teilen der Kollektoren 22 hin vollständig verhindert werden. Außerdem verquetscht das Verstemmen die Durchgangslöcher in einem umlaufenden Randteil eines jeden Kollektors 22, wodurch ein Seitwärtsfließen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases verhindert wird. Deshalb kann auch in der zweiten Modifikation ein ähnlicher Effekt wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform erzielt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform und die Modifikationen eingeschränkt, sondern kann auch in verschiedenen anderen Formen umgesetzt werden. Zum Beispiel sind gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform und den Modifikationen im Wesentlichen sechseckige Durchgangslöcher im Metallblech MR ausgebildet. Hierdurch ergibt sich jedoch keine Einschränkung hinsichtlich der Form der im Metallblech MR ausgebildeten Durchgangslöcher, solange die Form ein entsprechendes Fließen und eine Diffusion des von außen eingeleiteten Gases erlaubt. Zum Beispiel können Rhombus- und verschiedene andere Formen verwendet werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform und den Modifikationen wird der Brennstoffzellenstapel so aufgebaut, dass die Kühlwasserkanäle 30 zwischen den Zellen T, insbesondere zwischen den Separatoren 10, aus denen die entsprechenden Zellen T teilweise bestehen, sandwichartig angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel kann jedoch auch wie folgt aufgebaut werden: Die Kühlwasserkanäle 30 werden zuvor an den beiden Separatoren 10 oder an einem einzelnen Separator 10 angebracht; dann werden die Zellen T einzeln unter der Verwendung des Separators bzw. der Separatoren 10 gebildet, an denen die Kühlwasserkanäle 30 angebracht sind; schließlich werden die auf diese Weise gebildeten Zellen T aufeinandergestapelt, wodurch der Brennstoffstellenstapel entsteht. In diesem Fall können der Separator bzw. die Separatoren 10 und die Kühlwasserkanäle 30 zum Beispiel unter der Verwendung eines Hartlötprozesses oder eines Diffusionskontaktierungsprozesses, metallisch miteinander verbunden werden.
  • Ferner wird gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform und den Modifikationen das Metallblech MR, in dem die Durchgangslöcher in einer maschenartigen Anordnung ausgebildet sind, zur Bildung des Kollektors 22 verwendet. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere poröse Materialien (z. B. Metallschaum mit einer großen Anzahl feiner Durchgangslöcher) zur Ausbildung des Kollektors 22 verwendet werden können, solange diese Materialien Brennstoffgas und Oxidationsgas, die von außen in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet werden, in entsprechend diffundierter Weise an die MEA 21 liefern können. Selbst in diesem Fall kann, wie oben erwähnt, eine Ausbildung des Sperrteils zur Zeit des Anformens des Kunstharzdichtungsteils ein Einfließen eines geschmolzenen Kunstharzes in das poröse Material verhindern.
  • Zusammenfassung
  • Jeder der Kollektoren 22 einer Elektrodenstruktur 20, die einen Teil einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle bildet, wird aus einem Metallblech MR mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern gebildet. Ein Sperrteil 22a, bei dem die Durchgangslöcher einen verringerten Durchmesser haben, ist an einem umlaufenden Randteil des Kollektors 22 ausgebildet. Der umlaufende Randteil des Kollektors 22 wird gefaltet; dann wird der gefaltete umlaufende Randteil gepresst, wodurch der Sperrteil 22a gebildet wird. Ein Kunstharzdichtungsteil 23 zum Abdichten eingeleiteten Brennstoffgases und Oxidationsgases wird an die Sperrteile 22a durch Spritzgießen angeformt, das so ausgeführt wird, dass ein eingespritztes geschmolzenes Kunstharz die Sperrteile 22 umschließt. Der an die Sperrteile 22a angeformte Kunstharzdichtungsteil 23 kann ein Einfließen des geschmolzenen Kunstharzes zu mittleren Teilen der Kollektoren 22 hin wirksam verhindern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2002-184422 [0002]
    • - JP 2005-317322 [0002]
    • - JP 2005-209607 [0005, 0006]

Claims (9)

  1. Polymerelektrolytbrennstoffzelle, umfassend eine Vielzahl von Separatoren zum Verhindern eines Mischens von außen zugeführten Brennstoffgases und Oxidationsgases, und Elektrodenstrukturen, die zwischen den Separatoren angeordnet sind, wobei jede der Elektrodenstrukturen eine Membranelektrodenanordnung und Kollektoren aufweist, wobei die Membranelektrodenanordnung so konfiguriert ist, dass eine Anodenelektrodenschicht und eine Kathodenelektrodenschicht mit einer vorbestimmten Elektrolytmembran einstückig ausgebildet sind, wobei die Kollektoren auf die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht gelegt werden und dazu ausgelegt sind, das über den entsprechenden Separator zugeführte Brennstoffgas in einer diffundierten Art und Weise an die Anodenelektrodenschicht zu liefern und das über den entsprechenden Separator zugeführte Oxidationsgas in einer diffundierten Weise an die Kathodenelektrodenschicht zu liefern und die über Elektrodenreaktionen in der Membranelektrodenanordnung erzeugte Elektrizität zu sammeln, – wobei jeder der Kollektoren aus einem plattenartigen porösen Material mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern gebildet ist und einen Teil mit verringertem Lochdurchmesser aufweist, der an einem umlaufenden Randteil des Kollektors ausgebildet ist und bei dem die Durchgangslöcher einen verringerten Durchmesser haben, und – jede der Elektrodenstrukturen ein Kunstharzdichtungselement aufweist, das zum Dichten des eingeführten Brennstoffgases und Oxidationsgases ausgelegt und durch Spritzgießen ausgebildet ist, das so durchgeführt wird, dass ein eingespritztes geschmolzenes Kunstharz die Teile mit verringertem Lochdurchmesser an den umlaufenden Randteilen der Kollektoren umschließt.
  2. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Teil mit verringertem Lochdurchmesser der jeweiligen Kollektoren dadurch ausgebildet wird, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird.
  3. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der Teil mit verringertem Lochdurchmesser der jeweiligen Kollektoren dadurch ausgebildet wird, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird, wobei der umlaufende Randteil in einem gefalteten Zustand ist.
  4. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der Teil mit verringertem Lochdurchmesser der jeweiligen Kollektoren dadurch ausgebildet wird, dass der umlaufende Randteil des Kollektors zusammen mit einem Streifen eines plattenartigen porösen Materials, das auf den umlaufenden Randteil gelegt wird, einer Pressbearbeitung unterzogen wird.
  5. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der Teil mit verringertem Lochdurchmesser der jeweiligen Kollektoren dadurch ausgebildet wird, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird, die sich so auswirkt, dass Teilbereiche des umlaufenden Randteils gerade gestreckt werden.
  6. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei der Teil mit verringertem Lochdurchmesser der jeweiligen Kollektoren dadurch ausgebildet wird, dass der umlaufende Randteil des Kollektors einer Pressbearbeitung unterzogen wird, die sich so auswirkt, dass versetzte Teile des umlaufenden Randteils gerade gestreckt werden.
  7. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei jeder der Kollektoren eine Abdeckung aufweist, um ein Einfließen des geschmolzenen Kunstharzes vom umlaufenden Randteil des Kollektors zu einem mittleren Teil des Kollektors hin während des Spritzgießens zu verhindern, und – der Teil mit verringertem Lochdurchmesser eines jeden der Kollektoren als ein Ergebnis eines Verstemmens der Abdeckung mit dem umlaufenden Randteil des Kollektors ausgebildet wird.
  8. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Kunstharzdichtungselement, das durch Spritzgießen ausgebildet wird, eine Dicke hat, die im Wesentlichen gleich einer Dicke eines mittleren Teils der jeweiligen Kollektoren ist.
  9. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das plattenartige poröse Material ein Metallblech ist, bei dem eine große Anzahl von Durchgangslöchern in einer maschenartigen, stufigen Anordnung ausgebildet sind.
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