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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanschlussplatte, die verwendet wird um Leistung, die durch eine Brennstoffzelle mittels elektrochemischer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, zu sammeln, ein Verfahren zur Herstellung der Platte und eine die Platte enthaltende Brennstoffzelle.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Wasser wird unvermeidlich erzeugt, während durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle Leistung erzeugt wird. Bei einer Festelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, wird der Brennstoffzelle oft Brenngas zusammen mit Wasserdampf zugeführt, weil die Elektrolytmembran feucht gehalten werden muss. Um ferner die Temperatur der Brennstoffzelle bei einer für die elektrochemische Reaktion geeigneten Temperatur aufrecht zu halten, wird Kühlmittel durch die Brennstoffzelle zirkuliert. Daher können in jeder Brennstoffzelleneinheit, die als eine Stromerzeugungseinheit der Brennstoffzelle dient, Seperatoren, die die Brennstoffzelle von den angrenzenden Brennstoffzelleneinheiten trennen, unter der elektrischen Spannung, welche durch die Stromerzeugung der Brennstoffzelle erzeugt und daran angelegt wird, mit dem Wasser, das durch elektrochemische Reaktionen erzeugt wird und dem Wasser, das in den Gasen enthalten ist, in Kontakt kommen. Deshalb müssen die Seperatoren eine hohe Korrosionsbeständigkeit und einen geringen Kontaktwiderstand haben. Abgesehen von dem Kontaktwiderstand gegenüber Wasser unter der oben erwähnten angelegten elektrischen Spannung, müssen die Seperatoren ferner eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Bestandteilen, die in dem produzierten Wasser und in dem Wasser in den Gasen gelöst sind, haben. Aus diesen Gründen wird auf die Oberfläche des Seperators der Brennstoffzelle, wie in der
JP 2001-345 109 A beschrieben, eine vergoldete Schicht, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und einen geringen Kontaktwiderstand hat, aufgetragen.
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Die von jeder Brennstoffzelle erzeugte Leistung wird über elektrisch leitende Anschlussplatten, die an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels, welcher aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht, gesammelt und dann ausgegeben. Da die Anschlussplatten die erzeugte Leistung sammeln und gleichzeitig als Abschnitte dienen, über die die Brenngase und das Kühlmittel zur jeweiligen Brennstoffzelleneinheit zugeführt und von dieser abgeleitet werden, muss die Korrosionsbeständigkeit der Anschlussplatten so groß wie die des Seperators sein, und der Kontaktwiderstand der Anschlussplatten so gering wie der des Seperators sein.
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Zur Sammlung der erzeugten Leistung sind die Anschlussplatten einem großen elektrischen Spannungsunterschied ausgesetzt, daher benötigen sie Maßnahmen, die sich von denen für die Seperatoren unterscheiden. Um beispielsweise den Kontakt der Anschlussplatten mit Wasser in den Gasen, die zur jeweiligen Brennstoffzelleneinheit zugeführt und von dieser abgeleitet werden, und dem Kühlmittel zu verhindern, werden leitende Dichtungsscheiben zwischen den Brennstoffzelleneinheiten am Ende des Brennstoffzellenstapels und den jeweiligen Anschlussplatten vorgesehen. Obwohl die Anwendung von solchen Dichtungsscheiben den Kontaktwiderstand erhöht und so geringfügig die Ausgangsleistung des Brennstoffzellestapels verringert, wird der Sicherstellung einer hohen Korrosionsbeständigkeit oftmals eine höhere Priorität beigemessen. Beispielsweise kann bei jeder Anschlussplatte durch Plattieren der kompletten Oberfläche mit Gold eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ein geringer Kontaktwiderstand erreicht werden. Allerdings muss in diesem Fall, da Gold kostbar ist, die Menge an Gold, die für derartiges Plattieren verwendet wird, eingespart werden.
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Eine Anschlussplatte und ein Herstellungsverfahren hierfür sind zudem Gegenstand der US 2004 / 0 137 299 A1. Hierbei wird eine anodisierte Aluminiumbeschichtung zumindest auf der Fläche der Sammelrohrbereiche ausgebildet, die den Prozessfluiden ausgesetzt ist, wobei die Beschichtung an der Vorder- und Rückseite der jeweiligen Flächen ausgebildet ist. Aus der
DE 10 2006 029 511 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, bei dem eine isolierende Harzschicht mit guten elektrischen Isoliereigenschaften zwischen einer Anschlussplatte und einer Endplatte eingefügt ist, so dass auf eine Isolierplatte verzichtet werden kann, um ihn leichter und kleiner zu gestalten. Der Brennstoffzellenstapel verfügt über eine Batteriezellengruppe, in der eine Anzahl von Batteriezellen und Trennelementen angeordnet ist, und über Anschlussplatten und Endplatten, die an jedem Endabschnitt der Batteriezellengruppe angeordnet sind. Die Endplatten sind als Metallplattenteile mit den Anschlussplatten gegenüberliegenden Oberflächen ausgebildet. Ein Polyimidfilm ist als eine isolierende Harzschicht wenigstens auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Endplatte zum elektrischen Isolieren zwischen der Endplatte und der Anschlussplatte durch ein Galvanisierungsbeschichtungsverfahren ausgebildet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ausgehend vom Stand der Technik Technologien bereit, die eine Anschlussplatte mit einer Schicht, die einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit (z.B. vergoldete Schicht) aufweist, betrifft, und die mit einer geringeren Menge an Material, das für die Schicht verwendet wird, ausgebildet werden kann.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Anschlussplatte nach Anspruch 1, die mit einer Brennstoffzelle, die durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Leistung erzeugt, verbunden ist, um die Leistung, die die Brennstoffzelle erzeugt, zu sammeln. Diese Anschlussplatte hat: eine elektrisch leitende Platte; und eine Schicht, die einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit hat, und die auf einer Oberfläche der Platte ausgebildet ist, mit der die Platte mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Die Oberfläche der Schicht ist flach. Eine Dicke der Schicht in einem elektrodengegenüberstehenden Bereich, der einem Elektrodenbereich der Brennstoffzelle gegenübersteht, unterscheidet sich von einer Dicke der Schicht in einem Randbereich, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich umgibt, wobei die Dicke der Schicht in dem Randbereich größer ist als die Dicke der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich. Öffnungen, durch die Brenngas und das Kühlmittel der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeleitet werden, sind in dem Randbereich der Platte, auf dem die Schicht ausgebildet ist, ausgebildet, und die Dicke der Schicht ist nur an Öffnungsumgebungsbereichen, die die jeweiligen Öffnungen umgeben, groß.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann der Gestalt sein, dass die Dicke der Platte in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich und die Dicke der Platte in dem Randbereich verschieden sind, wobei die Dicke der Platte in dem Randbereich kleiner ist als die Dicke der Platte in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann der Gestalt sein, dass die Dicke der Schicht entsprechend der Dicke der Platte festgelegt wird, so dass die Dicke der Anschlussplatte einheitlich ist.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann der Gestalt sein, dass die Dicke der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich ungefähr 0,5 bis 4 µm ist und die Dicke der Schicht in dem Randbereich ungefähr 5 bis 15 µm ist.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte ist mit der Brennstoffzelle mittels der Schicht, die auf der Platte ausgebildet ist, verbunden. Die Oberfläche der Schicht ist flach und die Schicht hat einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Die Schicht kann beispielsweise leicht durch Vergoldung gebildet werden. Die Dicke der Schicht ist nicht einheitlich. Das heißt, die Dicke der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich, der dem Elektrodenbereich der Brennstoffzelle gegenübersteht, unterscheidet sich von der Dicke der Schicht in dem Randbereich, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich umgibt. Die Dicke der Schicht in dem Randbereich ist größer als die Dicke der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich.
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Obwohl die Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich in Kontakt mit der Brennstoffzelle steht, stehen die Brenngase und das Kühlmittel, die der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeleitet werden, nicht direkt in Kontakt mit der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich. Obwohl die Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich erforderlich ist, um den Kontaktwiderstand zwischen der Anschlussplatte und der Brennstoffzelle zu verringern, ist es daher nicht erforderlich eine große Korrosionsbeständigkeit zu haben, das heißt, sie muss nicht dick hergestellt sein. Auch dann, wenn die Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich dünn ist, verursacht dies keine Probleme so lange der Kontaktwiderstand ausreichend verringert werden kann.
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Andererseits dient die Anschlussplatte in dem Randbereich, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich umgibt, als Teil von Passagen bzw. Leitungen für die Brenngase und das Kühlmittel, welche der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeleitet werden, und daher können das Wasser, das in den Gasen enthalten ist, das Kühlmittel und die korrosiven Elemente, die in diesen enthalten sind, mit der Oberfläche der Anschlussplatte in Kontakt treten. Daher wird die Dicke der Schicht in dem Randbereich dick hergestellt, um eine hohe Korrosionsbeständigkeit und einen geringen Kontaktwiderstand zu erreichen. Dies reduziert die Menge an Material, das zur Ausbildung der Schicht benötigt wird, im Vergleich zu einer Schicht, die mit einer einheitlichen Dicke ausgebildet ist.
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Beispielsweise kann die oben beschriebene Anschlussplatte wie folgt ausgebildet werden. Zuerst wird die Platte derart ausgebildet, dass die Dicke der Platte in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich und die Dicke der Platte in dem Randbereich unterschiedlich sind, wobei die Dicke der Platte in dem Randbereich kleiner ist als die Dicke der Platte an dem elektrodengegenüberstehenden Bereich. Auf diese Weise kann, je kleiner die Dicke der Platte in dem Randbereich ist, die Dicke der Schicht in dem Randbereich umso größer hergestellt werden. Das heißt, zuerst wird eine Schicht in den Randbereichen ausgebildet, wo die Dicke der Platte klein ist (z.B. wird die Schicht durch Vergoldung ausgebildet), und dann wird eine dünne Schicht auf der Oberfläche der Schicht in dem Randbereich und auf der Oberfläche der Platte in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Schicht mit flacher Oberfläche und einer Dicke, die groß in dem Randbereich und klein in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich ist, erreicht.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann der Gestalt sein, dass die Dicke der Schicht in dem Randbereich, mit Ausnahme der Öffnungsumgebungsbereiche, und die Dicke der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich einander gleich sind.
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In einem Fall, bei dem Öffnungen, durch die Brenngas und Kühlmittel der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeleitet werden, in einem Randbereich der Platte mit einer darauf ausgebildeten Schicht ausgebildet sind, kann die Schicht derart ausgebildet sein, dass die Dicke der Schicht nur an den Öffnungsumgebungsbereichen, die die jeweilige Öffnung umgeben, groß ist. Gemäß dieses Aufbaus, bei dem die Dicke der Schicht in den Öffnungsumgebungsbereichen, die mit dem in den Brenngasen enthaltenem Wasser und dem Kühlmittel, die der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeleitet werden, in Kontakt kommen, dick hergestellt ist, wird eine hohe Korrosionsbeständigkeit an den Öffnungsumgebungsbereichen erreicht. Dies verringert die Menge an Material, das für die Ausbildung der Schicht nötig ist weiter, während eine geringer Kontaktwiderstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit erreicht werden.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann der Gestalt sein, dass die Schicht vergoldet ausgebildet ist.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann der Gestalt sein, dass die Brennstoffzelle vom dead-end-Typ ist, die Anschlussplatten an beiden Enden der Brennstoffzelle vorgesehen sind, und der Unterschied in der Dicke der Schicht nur bei einer Anschlussplatte ausgebildet ist.
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Die oben beschriebene Anschlussplatte kann in einer Brennstoffzelleneinheit, die wie nachstehend beschrieben aufgebaut ist, verwendet werden.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle nach Anspruch 8, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht, die durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Leistung erzeugen; Anschlussplatten, die mit den Brennstoffzelleneinheiten jeweils an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels verbunden sind, und die dazu verwendet werden, um die Leistung bzw. Strom, die bzw. der durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, zu sammeln; und einer Spannvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel und die Anschlussplatten zwischen einem Paar Endplatten, die einander gegenüberstehen, zusammen klemmt. Jede Anschlussplatte hat eine elektrisch leitende Platte und eine Schicht, die einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit hat und die auf einer Oberfläche der Platte ausgebildet ist, über die die Platte mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Oberfläche der Schicht flach ist. Eine Dicke der Schicht in einem elektrodengegenüberstehenden Bereich, der dem Elektrodenbereich der Brennstoffzelle, der eine Elektrode enthält, gegenübersteht, unterscheidet sich von einer Dicke der Schicht in einem Randbereich, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich umgibt, wobei die Dicke der Schicht in dem Randbereich größer ist als die Dicke der Schicht in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich. Öffnungen, durch die Brenngas und das Kühlmittel der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeleitet werden, sind in dem Randbereich der Platte, auf dem die Schicht ausgebildet ist, ausgebildet, und die Dicke der Schicht ist nur an Öffnungsumgebungsbereichen, die die jeweiligen Öffnungen umgeben, groß
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Gemäß der oben beschriebenen Brennstoffzelle muss keine elektrisch leitende Dichtungsscheibe zwischen den Enden des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzelleneinheiten bereitgestellt werden, da die Anschlussplatten am Ende des Brennstoffzellenstapels angepasst sind, um einen geringen Kontaktwiderstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen, wenn sie mit den Brennstoffzelleneinheiten verbunden sind. Dadurch kann die Menge der Leistung, die die Brennstoffzelle aus der gegebenen Menge an Brenngas erzeugen kann, beibehalten oder erhöht werden. Weiter erfordert der obengenannte Aufbau der Brennstoffzelle zur Ausbildung der Schicht eine kleine Menge an Material, wodurch die Kosten hierfür reduziert werden. Ferner verlängert die Korrosionsbeständigkeit, die durch die Anschlussplatten erhalten wird, die Betriebsdauer der Brennstoffzelle. Daher kann, wenn die Brennstoffzelle in einem Fahrzeug als Leistungsquelle für den Antrieb des Fahrzeuges verwendet wird, die Brennstoffzelle bei der Instandhaltung leicht gewartet werden.
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Figurenliste
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Die vorangehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und wobei:
- 1 eine schematische Ansicht zeigt, die den Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß der ersten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 2 eine schematische Ansicht zeigt, die eine Frontanschlussplatte und eine Rückanschlussplatte, die in einer Brennstoffzelle installiert sind, darstellt;
- 3 eine Ansicht der Frontanschlussplatte, die in 2 in Richtung A betrachtet wird, sowie eine Schnittdarstellung der Frontanschlussplatte in Richtung A zeigt;
- 4 eine Ansicht der Rückanschlussplatte, die in 2 in Richtung B betrachtet wird, sowie eine Schnittdarstellung der Rückanschlussplatte in Richtung B zeigt;
- 5 ein Diagramm zeigt, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der Frontanschlussplatte und der Rückanschlussplatte darstellt, die jeweils eine vergoldete Schicht mit einer nicht einheitlichen Dicke haben;
- 6 eine Ansicht zeigt, die einen Herstellungsprozess darstellt, der in dem Herstellungsverfahren ausgeführt wird;
- 7 eine Ansicht zeigt, die einen exemplarischen Prozess darstellt, der in dem Herstellungsverfahren ausgeführt wird, um Platten zu erstellen;
- 8 3 entspricht und eine Ansicht der Frontanschlussplatte des zweiten Ausführungsbeispiels, die in 2 in Richtung A betrachtet wird, und eine Schnittdarstellung der Frontanschlussplatte in Richtung A zeigt;
- 9 6 entspricht und den Herstellungsprozess in dem Verfahren zur Herstellung der Frontanschlussplatte darstellt; und
- 10 7 entspricht und einen exemplarischen Prozess, der in dem Herstellungsverfahren ausgeführt wird, um Platten zu erstellen, zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsform
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1 zeigt eine schematische Ansicht, die den Aufbau der Brennstoffzelle 10 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. Bezug nehmend auf 1, integriert die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 40, die durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Leistung erzeugen, und die zwischen einem Paar Endplatten 10a übereinander gestapelt sind. Nachstehend wird der Stapel der Brennstoffzelleneinheiten 40 als „Brennstoffzellenstapel 40S“ bezeichnet. Jede Brennstoffzelleneinheit hat eine Membran-Elektroden-Anordnung, die aus einer Elektrolytmembran mit einer Protonenleitfähigkeit besteht, einer Anode, die an einer Seite der Elektrolytmembran bereitgestellt ist, und einer Kathode, die an der anderen Seite der Elektrolytmembran bereitgestellt ist, sowie Seperatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung einkeilen bzw. dazwischen aufnehmen oder umgeben. Die Anode und Kathode bestehen beide aus einem Katalysator, der auf der Oberfläche der Elektrolytmembran bereitgestellt ist, und einer Gasdiffusionsschicht, die auf der Katalysatorschicht bereitgestellt ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Festelektrolyt-Membran, wie Nafion (eingetragenes Warenzeichen) als Elektrolytmembran verwendet. Leitungen bzw. Passagen für Wasserstoff (Brenngas), der der Anode zugeführt wird, Leitungen bzw. Passagen für Luft (oxidierendes Gas), die der Kathode zugeführt wird, und Leitungen bzw. Passagen für das Kühlmittel sind in den Seperatoren ausgebildet. Die Zahl der Brennstoffzelleneinheiten 40 des Brennstoffzellenstapels 40S kann entsprechend der Abgabeleistung, die bei der Brennstoffzelle 10 benötigt wird, festgelegt werden.
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Eine Isolierungsplatte 20a und eine Frontanschlussplatte 31 sind zwischen dem vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels 40S und einer vorderen Endplatte 10a angeordnet und eine andere Isolierungsplatte 20a und eine Rück- bzw. Heckanschlussplatte 32 sind zwischen dem hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 40S und der hinteren Endplatte 10a angeordnet. Lufteingänge 12EIN, Luftausgänge 12AUS, Wasserstoffeingänge 14EIN, Wasserstoffausgänge 14AUS, ein Kühlmitteleingang 16EIN und ein Kühlmittelausgang 16AUS sind sowohl an der vorderen Endplatte 10a, der Isolierungsplatte 20a, als auch der Frontanschlussplatte 31 ausgebildet. Eingangsammelrohre zur Zuführung von Wasserstoff, Luft und Kühlmittel zu jeder Brennstoffzelleneinheit 40 (ein Wasserstoff-Eingangssammelrohr, ein Luft-Eingangssammelrohr, und ein Kühlmittel-Eingangssammelrohr), Auslasssammelrohre zur Sammlung der Abgase, die von der Kathode und der Anode von jeder Brennstoffzelleneinheit 40 abgeleitet werden, und des Kühlmittels, zum Ableiten derselben zur Außenseite der Brennstoffzelle 10 (ein Kathodenabgas-Ausgangssammelrohr, ein Anodenabgas-Sammelrohr, und ein Kühlmittel-Ausgangssammelrohr), sind durch die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten 40 ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Eingangs- und Ausgangssammelrohre nicht in den Figuren gezeigt sind.
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Für die Erreichung einer hohen Festigkeit bzw. Steifigkeit werden die Endplatten 10a aus Metal (z.B. Kupfer) hergestellt. Die Isolierungsplatten 20a sind aus einem isolierenden Material (z.B. Gummi, Harz) ausgebildet. Die Frontanschlussplatte 31 und die Rückanschlussplatte 32 sind aus einem elektrisch leitenden und gasundurchlässigen Material (z.B. dichter Kohlenstoff, Kupferplatten) mit vergoldeten Schichten, die auf deren Oberfläche ausgebildet sind, ausgebildet, wie später ausführlich beschrieben wird.
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Die Brennstoffzelle 10 hat Spannwellen 100, die sich neben dem Brennstoffzellenstapel 40S zwischen zueinander gegenüberstehenden Endplatten erstrecken. Die Spannwellen 100 sind mit den Endplatten 10a durch Bolzen 102 in Kontakt und daran befestigt, wodurch der Brennstoffzellenstapel 40S zwischen zwei einander gegenüberstehen Endplatten 10a eingeklemmt wird.
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Wasserstoff (Brenngas) wird jeder Anode der Brennstoffzelleneinheit 40 des Brennstoffzellenstapels 40S über Wasserstoffeingänge 14EIN zugeführt, und Luft wird der Kathode über die Lufteingänge 12EIN zugeführt, wobei die Brennstoffzelleneinheiten 40S durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Leistung erzeugen.
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Als nächstes werden die Frontanschlussplatte 31 und die Rückanschlussplatte 32 ausführlich beschrieben. 2 zeigt eine schematische Ansicht, die die Frontanschlussplatte 31 und die Rückanschlussplatte 32, die in einer Brennstoffzelle 10 installiert sind, darstellt. 3 umfasst eine Ansicht der Frontanschlussplatte 31, die in 2 in Richtung A betrachtet wird, und eine Schnittdarstellung der Frontanschlussplatte 31, die in Richtung A betrachtet wird. 4 umfasst eine Ansicht der Rückanschlussplatte 32, die in 2 in Richtung B betrachtet wird, und eine Schnittdarstellung der Rückanschlussplatte 32, die in Richtung B betrachtet wird.
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Bezug nehmend auf 3 und 4, hat die Frontanschlussplatte 31 Öffnungen für die Lufteingänge 12EIN, usw., genauso wie die vordere Endplatte 10a welche hat, zur Zuführung und Ableitung von Luft, Wasserstoff und Kühlmittel, während die Rückanschlussplatte 32 keine derartigen Öffnungen hat. Das heißt, die Brennstoffzelle 10 ist als sogenannte dead-end-Typ strukturiert, in der Luft und Wasserstoff der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit 40 über die vordere Endplatte 10a zugeführt werden und der überschüssige Wasserstoff und Luft, das Anodenabgas und das Kathodenabgas an der hintersten Brennstoffzelleneinheit 40, die mit der Rückanschlussplatte 32 (d.h. am Seperator der hintersten Brennstoffzelleneinheit 40) verbunden ist, umkehren und zu der vorderen Endplatte 10a zurückkommen. Ähnlich wird Kühlmittel zu der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit 40 über die vordere Endplatte 10a zugeführt und kehrt dann um und kommt zu der vorderen Endplatte 10a zurück.
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Obwohl nur die Frontanschlussplatte 31 Öffnungen für die Lufteingänge 12EIN, usw. hat, während die Rückanschlussplatte 32 diese nicht hat, sind die Frontanschlussplatte 31 und die Rückanschlussplatte 32 mit der Brennstoffzelleneinheit 40 an dem vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels 40S beziehungsweise mit der Brennstoffzelleneinheit 40 an dem hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 40S verbunden, und beide geben die Leistung, die durch die entsprechende Brennstoffzelle erzeugt wird, über Ausgabeklemmen 33 ab. Die Frontanschlussplatte 31 und die Rückanschlussplatte 32 haben Platten 31a, 32a, die aus dem obengenannten elektrisch leitenden Material und den vergoldeten Schichten 31b, 32b, die jeweils an den Platten 31a, 32b vorgesehen sind, bestehen, wie in der Schnittdarstellung der 3 und 4 gezeigt. Die vergoldeten Schichten 31b, 32b sind flach und bedecken die jeweilige Oberfläche 31a, 32a. Die vergoldeten Schichten 31b, 32b haben einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Die vergoldete Schichte 31b der Frontanschlussplatte 31 berührt die Brennstoffzelleneinheit 40 an dem vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels und die vergoldete Schicht 32b der Rückanschlussplatte 32 berührt die Brennstoffzelleneinheit 40 an dem hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 40.
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Obwohl die Oberfläche der vergoldeten Schicht 31b flach ist, unterscheidet sich die Dicke der vergoldeten Schicht 31b in einem elektrodengegenüberstehenden Bereich 31c, der dem Elektrodenbereich der entsprechenden Brennstoffzelleneinheit 40 gegenüber liegt, von der Dicke der vergoldeten Schicht 31b in dem Randbereich 31d, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich 31c umgibt. Ähnlich unterscheidet sich, obwohl die Oberfläche der vergoldeten Schicht 32b flach ist, die Dicke der vergoldeten Schicht 32b in einem elektrodengegenüberstehenden Bereich 32c, der dem Elektrodenbereich der entsprechenden Brennstoffzelleneinheit 40 gegenübersteht, von der Dicke der vergoldeten Schicht 32b, in einem Randbereich 32d, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich 32c umgibt. Das heißt, die vergoldete Schicht 31b der Frontanschlussplatte setzt sich zusammen aus einer mittleren plattierten Schicht 31bs mit einer kleinen Dicke, die in dem elektrodengegenüberstehenden Bereich 31c ausgebildet ist, und einer randseitig plattierten Schicht 31be mit einer großen Dicke die in dem Randbereich 31d ausgebildet ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel, sind die Dicken der mittleren plattierten Schichten 31bs, 32bs ungefähr 0,5 bis 4 µm und die Dicken der randseitig plattierten Schichten 31be, 32be ungefähr 5 bis 15 µm.
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Das Diagramm von 5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung der Frontanschlussplatte 31 und der Rückanschlussplatte 32, die jeweils eine vergoldete Schicht mit der oben beschriebenen nicht einheitlichen Dicke aufweisen. 6 zeigt eine Ansicht, die den Herstellungsprozess, der in dem Herstellungsverfahren ausgeführt wird, darstellt. 7 zeigt eine Ansicht, die einen exemplarischen Prozess, der in dem Herstellungsverfahren ausgeführt wird, um Platten zu erstellen, darstellt.
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Bezug nehmend auf 5 werden bei der Herstellung der Frontanschlussplatten 31 und der Rückanschlussplatten 32, Platten 31a, 32a mit gestuftem Abschnitt 31e, 32e, die an dem Randbereich der Frontanschlussplatte 31 beziehungsweise der Rückanschlussplatte 32 ausgebildet sind, zuerst erstellt (Schritt S100). Es sei angemerkt, dass die Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. in dem gestuften Abschnitt 31e der Platte 31 im Voraus ausgebildet sind. Der gestufte Abschnitt 31e wird beispielsweise durch Fräsen oder Stanzen bzw. Pressen des Randes der Platte 31a, die eine flache Platte ist, ausgebildet. Alternativ kann, wie in 7 gezeigt, eine dünne Platte 31at auf einer flachen Platte 31ab bereitgestellt werden, so dass der gestufte Abschnitt am Rand der dünne Platte 31a ausgebildet wird. Es sei angemerkt, dass die Platte 32a auf die gleiche Weise ausgebildet werden kann wie die Platte 31a.
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Anschließend werden die mittleren Bereiche der Platten 31a, 32a, das heißt, der elektrodengegenüberstehende Bereich 31c der Platte 31a und der elektrodengegenüberstehende Bereich 32c der Platte 32a maskiert und anschließend wird eine Einspannvorrichtung J auf die Platte 31a aufgesetzt (Schritt S110). Die Einspannvorrichtung J hat Vorsprünge JP, die in Formen ausgebildet sind, die den Formen der Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. an der Platte 31a entsprechen. Daher füllen, wenn die Platte 31a auf die Einspannvorrichtung J gesetzt wird, die Vorsprünge JP der Einspannvorrichtung J die Öffnungen aus und ragen von der Oberfläche der Platte 31a heraus. Das heißt, die Vorsprünge JP der Einspannvorrichtung J sind vorgesehen, um auf der vergoldeten Schicht, die durch den später beschriebenen Vergoldungsprozess ausgebildet wird, die Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. auszubilden.
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Nach Maskierung der Platten 31a, 32a und Fixierung der Einspannvorrichtung J an der Platte 31a wie oben beschrieben, wird die erste Vergoldung auf die Platten 31a, 32a (Schritt S120) aufgetragen, wodurch die ersten vergoldeten Schichten 31b1, 32b1 am gestuften Abschnitt 31e der Platte 31a beziehungsweise dem gestuften Abschnitt 32e der Platte 32a ausgebildet werden. In diesem Fall werden die ersten vergoldeten Schichten 31b1, 32b1 in derartigen Dicken ausgebildet, dass die ersten vergoldeten Schichten 31b1, 32b1 die jeweiligen Stufen 31e, 32e auffüllen und daher sind die Oberflächen der elektrodengegenüberstehenden Bereiche 31c, 32c unter den Maskierungen im Wesentlichen auf einem Niveau wie die Oberflächen der ersten vergoldeten Schichten 31b1, 32b1. Diese Vergoldung (erste Vergoldung) kann unter Verwendung eines bekannten Verfahrens angewendet werden (z.B. Eintauchen in einen Beschichtungstank, stromlose Plattierung). Während des Vergoldungsverfahrens werden verschiedene Prozesse, die typischerweise für Plattierung benötigt werden, wie beispielsweise ein Entfettungsprozess, ein Reinigungsprozess, ein Plattierungsflächenaktivierungsprozess, ein Postbeschichtungsreinigungsprozess, ein Trocknungsprozess usw. ausgeführt. Der Vorbehandlungsprozess, wie beispielsweise der Entfettungsprozess und der Plattierungsflächenaktivierungsprozess, können vor der Maskierung ausgeführt werden.
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Als nächstes werden die Maskierungen von den Platten 31a, 32a (Schritt S130) genommen. Anschließend wird die zweite Vergoldung auf die Platten 31a, 32a aufgebracht, die bereits mit Gold durch die erste Vergoldung wie oben beschrieben (Schritt S140) plattiert worden sind. Als Folge der zweiten Vergoldung werden zweite vergoldete Schichten 31b1, 32b1 auf den Oberflächen der ersten vergoldeten Schicht 31b1, 32b1 ausgebildet, welche auf den jeweiligen Stufen 31e, 32e und auf den Oberflächen des elektrodengegenüberstehenden Bereichs 31c, 32c ausgebildet wurden (d.h. auf der gesamten Fläche der Platten 31a, 32a). Da die ersten vergoldeten Schichten 31b1 und der elektrodengegenüberstehende Bereich 31c in einer Ebene zueinander sind und die erste vergoldete Schicht 32b1 und der elektrodengegenüberstehende Bereich 32c auf einem Niveau zueinander sind, sind die Oberflächen der zweiten vergoldeten Schicht 31b2, 32b2 flach. Dadurch überschneiden sich die erste vergoldete Schicht 31b1 und die zweite vergoldete Schicht 31b2, die wie oben beschrieben ausgebildet worden sind, am Rand der Platte 31a der Frontanschlussplatte 31, und bilden eine randseitige plattierte Schicht 31be wie in 3 gezeigt, und der Abschnitt der zweiten vergoldeten Schicht 31b2 auf dem elektrodengegenüberstehenden Bereich 31c bildet eine mittlere plattierte Schicht 31bs. Ähnlich überschneiden sich die erste vergoldete Schicht 32b1 und die zweite vergoldete Schicht 32b2, die wie oben beschrieben ausgebildet worden sind, am Rand der Platte 32a der Rückanschlussplatte 32, und bilden eine randseitige plattierte Schicht 32be wie in 3 gezeigt, und der Abschnitt der zweiten vergoldeten Schicht 32b2 auf dem elektrodengegenüberstehenden Bereich 32c bildet eine mittlere plattierte Schicht 32bs. Auch während der zweiten Vergoldung wird der obengenante Prozess, der typischerweise für die Plattierung notwendig ist und für die erste Vergoldung beschrieben wird, ausgeführt. Anschließend wird die Einspannvorrichtung J von der Platte 31a der Frontanschlussplatte (Schritt S150) entfernt. Dies ist das Ende des Verfahrens zur Herstellung der Fontanschlussplatte 31 und der Rückanschlussplatte 32. Dadurch werden die Fontanschlussplatte 31 und die Rückanschlussplatte 32 erhalten.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, wird die vergoldete Schicht 31b auf der Oberfläche der Frontanschlussplatte 31, die die Brennstoffzelleneinheit 40 an dem vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels 40S berührt, um Leistung zu sammeln, ausgebildet, und die vergoldete Schicht 32b wird auf der Oberfläche der Rückanschlussplatte 32, die die Brennstoffzelleneinheit 40 an dem hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 40S berührt, um Leistung zu sammeln, ausgebildet. Weiter wird bei einer Ausbildung der vergoldeten Schicht 31b auf der Platte 31a auf der Frontanschlussplatte 31 die mittlere plattierte Schicht 31bs als eine dünne vergoldete Schicht, die ungefähr 0,5 bis 4 µm in der Dicke zeigt, ausgebildet und die randseitige plattierte Schicht 31be wird als eine dicke vergoldete Schicht, die ungefähr 5 bis 15 µm in der Dicke zeigt, ausgebildet. Obwohl die mittlere plattierte Schicht 31bs mit der Brennstoffzelleneinheit 40 am vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels 40S in Kontakt kommt, kommen, da jede Brennstoffzelleneinheit 40 Seperatoren (nicht in den Figuren gezeigt) hat, die Gase und das Kühlmittel, die der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit 40 zugeführt und von dieser abgeführt werden, nicht direkt in Kontakt mit der mittleren plattierten Schicht 31bs. Aus diesem Grund stellt, sogar wenn die mittlere plattierte Schicht 31bs als eine dünne vergoldete Schicht mit einer Dicke von ungefähr 0,5 bis 4 µm ausgebildet ist, die mittlere plattierte Schicht 31bs eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit bereit, während der Kontaktwiderstand zwischen der Frontanschlussplatte 31 und der Brennstoffzelleneinheit 40 am vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels 40S wirksam verringert wird. Ähnlich wird bei der Ausbildung der vergoldeten Schicht 32bs auf der Platte 32a der Rückanschlussplatte 32, die mittlere plattierte Schicht 32bs als eine dünne vergoldete Schicht, die ungefähr 0,5 bis 4 µm in der Dicke zeigt, und die randseitige plattierte Schicht 32be als eine dicke vergoldete Schicht, die ungefähr 5 bis 15 µm in der Dicke zeigt, ausgebildet. Obwohl die mittlere plattierte Schicht 32bs mit der Brennstoffzelleneinheit 40 am hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 40S in Kontakt kommt, kommen, da jede Brennstoffzelleneinheit 40 Seperatoren (nicht in den Figuren gezeigt) hat, die Gase und das Kühlmittel, die der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit 40 zugeführt und von dieser abgeführt werden, nicht direkt in Kontakt mit der mittleren plattierten Schicht 32bs. Aus diesem Grund stellt, sogar wenn die mittleren plattierte Schicht 32bs als eine dünn vergoldete Schicht mit einer Dicke von ungefähr 0,5 bis 4 µm ausgebildet wird, die mittlere plattierte Schicht 32bs eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit bereit, während der Kontaktwiderstand zwischen der Rückanschlussplatte 32 und der Brennstoffzelleneinheit 40 am vorderen Ende des Brennstoffzellenstapels 40S wirksam verringert wird.
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Der randseitige Bereich 31d der Frontanschlussplatte 31, wo die randseitige plattierte Schicht 31be vorhanden ist, dient als Teil der Passagen der Brenngase und des Kühlmittels, die der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten 40S zugeführt oder von dieser abgeleitet werden. Das heißt, Lufteingänge 12EIN usw. werden in dem randseitigen Bereich 31d ausgebildet. Daher berührt das Wasser, das in den Gasen enthalten ist, das Kühlmittel und die verschieden korrosiven Bestandteile, die in den Gasen und dem Kühlmittel enthalten sind, die randseitige plattierte Schicht 31be, die in dem randseitigen Bereich 31d ausgebildet ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird daher die randseitige plattierte Schicht 31be der Frontanschlussplatte 31 dick hergestellt, um eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Kontaktwiderstandes zu erreichen. Dies verringert die Menge an Gold, das zur Vergoldung benötigt wird, im Vergleich zur Ausbildung einer vergoldeten Schicht mit einer einheitlichen Dicke auf der Anschlussplatte.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die flache Oberfläche der vergoldeten Schichten 31b, 32b, wenn die Brennstoffzelleneinheit 40 und die Front- und Rückanschlussplatte 31, 32 gestapelt sind, weiter eine hohe Zuverlässigkeit bei der Verhinderung von Leckagen der Gase und des Kühlmittels von den Verbindungen zwischen den Anschlussplatten 31, 32 und der Brennstoffzelleneinheiten 40 dar.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, sind die mittlere plattierte Schicht 31bs und die randseitige plattierte Schicht 31be, die unterschiedlich in der Dicke sind, ausgebildet, während die Oberfläche der vergoldeten Schicht 31b wie folgt flach hergestellt wird. Um den elektrodengegenüberstehenden Bereich 31c und den Randbereich 31d, der den elektrodengegenüberstehenden Bereich umgibt, in einer unterschiedlichen Dicke herzustellen, wird zuerst der gestufte Abschnitt 31e am Rand der Platte 31a ausgebildet. Anschließend wird die erste Vergoldung für den gestuften Abschnitt 31e aufgetragen, um diesen aufzufüllen, und dann wird die zweite Vergoldung für die komplette Oberfläche der Platte 31e aufgetragen. Daher wird die Oberfläche der vergoldeten Schicht 31b, die die randseitige plattierte Schicht 31be mit einer dicken Dicke und die mittlere plattierte Schicht 31bs mit einer dünnen Schicht umfasst, leicht flach ausgebildet.
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Als nächstes wird das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel wird dadurch gekennzeichnet, dass die dicken randseitigen plattierten Schichten 31be der Frontanschlussplatte 131 nur an den Rändern der Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. ausgebildet werden. 8 entspricht 3, die eine Ansicht der Frontanschlussplatte 131, die in 2 in Richtung A betrachtet wird, und eine Schnittdarstellung der Frontanschlussplatte, in Richtung A betrachtet, zeigt. 9 entspricht 6, die einen Herstellungsprozess zu dem Verfahren zur Herstellung der Frontanschlussplatte darstellt und 10 entspricht 7, die einen exemplarischen Prozess, der in dem Herstellungsverfahren ausgeführt ist um Platten zu erstellen, darstellt.
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Bezug nehmend auf 8, hat, wie bei der die Frontanschlussplatte 31 die oben beschrieben ist, die Frontanschlussplatte 131 die Platte 31a, auf der die vergoldete Schicht 31b ausgebildet ist, um die Oberfläche der Platte 31a zu bedecken und die Oberfläche der vergoldeten Schicht 31b ist flach. Obwohl die Oberfläche der vergoldeten Schicht 31b flach ist, unterscheidet sich die Dicke der vergoldeten Schicht 31b nur an den Öffnungsumgebungsbereichen 131d, die die Öffnungen der Lufteingänge 121EIN, die Luftausgänge 121AUS usw. umgeben. Das heißt, die vergoldete Schicht 31b der Frontanschlussplatte 131 umfasst die Öffnungsumgebungsplattierschicht 131be, die an den jeweiligen Öffnungsumgebungsbreichen 131d ausgebildet ist, und eine Restplattierteschicht 131bs, die an dem restlichen Bereich, der an dem anderen Bereich als die Öffnungsumgebungsbereiche 131d ausgebildet wird. Es sei angemerkt, dass die Dicke der Öffnungsumgebungsplattierschichten 131be und die Restplattierteschicht 131bs wie oben beschrieben festgelegt wird, und die Restplattierteschicht 131bs, die oben beschriebene mittlere plattierte Schicht 31bs, umfasst.
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Die Frontanschlussplatte 131 wird durch das Verfahren, das auf dem in 5 gezeigten basiert, erhalten. Im Detail wird, mit Bezug auf 9, eine Platte 31a mit konkaven Abschnitten 131e, die um die Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. herum ausgebildet werden, zuerst erstellt. Die konkaven Abschnitte 131e werden beispielsweise durch Fräsen oder Pressen der Ränder der jeweiligen Öffnungen der Platte 31a ausgebildet. Alternativ könnte mit Bezug auf 10, eine dünne Platte 131at mit Öffnungen 12A bis 16A mit größeren Querschnittsflächen ausgebildet werden, als jene bei denen die jeweiligen Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. auf eine flache Platte 31ab gesetzt werden, um die konkaven Abschnitte 131e der jeweiligen Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, der Luftausgänge 12AUS usw. auszubilden.
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Der Restbereich 131c der Platte 31a wird anschließend maskiert und die Einspannvorrichtung J wird auf die Platte 31a aufgesetzt. In diesem Fall ist die Form der Maskierungsfolie identisch zu der Form der dünnen Platte 131at, die in 10 gezeigt wird. Als nächstes wird die erste Vergoldung auf der Platte 31a aufgetragen, wobei die ersten vergoldeten Schichten 131b1 so ausgebildet werden, dass sie die jeweiligen konkaven Abschnitte 131e der Platte 31a auffüllen. Anschließend wird die Maskierung von der Platte 31a entfernt und die zweite Vergoldung wird auf der Platte 31a aufgetragen, wobei eine zweite vergoldete Schicht 131b2, die die Oberfläche der ersten vergoldeten Schichten 131 und die Oberfläche des restlichen Bereichs 131 (d.h. die komplette Oberfläche der Platte 31a) bedeckt, ausgebildet wird. So wird die vergoldete Schicht 31b flach ausgebildet, während man die Dicke der Öffnungsumgebungsbereiche 131d um die Öffnungen der Lufteingänge 12EIN, 12AUS, usw. dick herstellt.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke der vergoldetenen Schicht 31b in den Öffnungsumgebungsbereichen, die mit dem in den Gasen enthaltenenen Wasser und dem Kühlmittel, die den jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten 40 des Brennstoffzellenstapels 40S zugeführt werden, in Kontakt gelangen dick, während eine hohe Korrosionsbeständigkeit in den Öffnungsumgebungsbereichen 131 der vergoldeten Schicht erzielt wird. Dies reduziert weiter die Menge an Gold, das für die Vergoldung benötigt wird, während ein geringer Kontaktwiderstrand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit erreicht werden.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Im Gegenteil, der Umfang der Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche bestimmt.
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Während beispielsweise eine Festelektrolytemembran als die Elektrolytmembran in den vorangehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet wird, könnten andere Elektrolytemembranen (z.B. Festoxide), anstatt der Festelektrolytmembran verwendet werden. Außerdem kann, während die Erfindung in den vorangehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung auf den Brennstoffzellenstapel 40S, der aus den Brennstoffzelleneinheiten 40 besteht, angewandt wird, die Erfindung beispielsweise an einer Brennstoffzelle 10, die aus einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit 40 besteht, angewandt werden.
