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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und
insbesondere auf eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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Wie
oben erwähnt, erfordern zum Ausbilden von Zwischenräumen,
durch welche eingeleitetes Brennstoffgas und Oxidationsgas fließen,
die herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzellen die Verwendung
der Dichtung (des Rahmens).
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Schnittdarstellung, die einen Teil eines Brennstoffzellenstapels zeigt,
bei dem Kollektoren gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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2 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Darstellung einen Separator
von 1.
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3 erläutert
in einer Schnittdarstellung eine Elektrodenstruktur von 1.
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Die 4(a) und 4(b) sind
Ansichten zur Erläuterung eines Metallblechs, das zur Ausbildung
des Kollektors verwendet wird.
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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.
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6 ist
eine Darstellung, die schematisch einen Kunstharzformungsprozess
zum Spritzgießen eines Kunstharzdichtungsteils zeigt.
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7 ist
eine Darstellung zum Erläutern einer Modifikation der Ausführungsform.
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8 ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Kollektors
gemäß einer ersten Modifikation der vorliegenden
Erfindung.
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9 ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Sperrteil-Formungsprozesses
gemäß der ersten Modifikation.
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10 ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Kunstharzformungsprozesses gemäß der
ersten Modifikation.
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11 ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern einer weiteren
Modifikation der ersten Modifikation.
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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.
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13 ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Befestigungszustandes
der Abdeckung von 12.
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Beste Art und Weise zum Umsetzen
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2002-184422 [0002]
- - JP 2005-317322 [0002]
- - JP 2005-209607 [0005, 0006]