DE112010006046T5

DE112010006046T5 - Brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE112010006046T5
Application number: DE112010006046T
Authority: DE
Inventors: Norishige Konno; Takashi Kajiwara; Masayuki Ito; Hitoshi Hamada; Haruyuki Aono; Tomoyuki Takamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2012073364A1; JPWO2012073364A1; CN102640337A; US20130236803A1; CA2756905A1

Abstract

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellenmoduls, das in der Lage ist, auf einfache Weise eine angemessene Dichtungsfunktion auch dann bereitzustellen, wenn die Einheitszelle dünner gestaltet wird. Das Brennstoffzellenmodul weist einen Stapelkörper auf, der aufweist: eine Stapelstruktur, die aufweist: eine Elektrolytschicht und ein Paar Elektroden, die so vorgesehen sind, dass sie die Elektrolytschicht zwischen sich anordnen; und ein Paar Separatoren, die so angeordnet sind, dass sie die Stapelstruktur zwischen sich anordnen, wobei die Separatoren, in Stapelungsrichtung gesehen, zumindest an einem Ende des Stapelkörpers angeordnet sind, die Separatoren, die am Ende des Stapelkörpers angeordnet sind, in einer Fläche, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, eine Nut aufweisen, die in der Lage ist, ein Dichtungselement aufzunehmen, und die mindestens eine Nut eine tiefe Nut ist, deren Tiefe größer ist als die Dicke des Separators, der die Nut aufweist.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen.
Technischer Hintergrund
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die eine Stapelstruktur aufweist, die einen Elektrolyten und einen Satz Elektroden (eine Anode und eine Kathode) aufweist, die so angeordnet sind, dass sich der Elektrolyt zwischen ihnen befindet, und die die elektrische Energie, die in der Stapelstruktur erzeugt wird, über einen Stromkollektor (beispielsweise einen Separator), der außerhalb der Stapelstruktur angeordnet ist, ausbringt. Unter verschiedenen Brennstoffzellen können Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen (im Folgenden als „PEFC” bezeichnet), die für häusliche Kraft/Wärme-Kopplungssysteme, Automobile und so weiter verwendet werden, in einer Niedertemperaturregion betrieben werden. Wegen ihrer hohen Energieumwandlungsleistung, ihrer kurzen Startzeit und ihrem kleinen und leichten System ist die PEFC als Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge oder Mobiltelefone interessant.
Eine Einheitszelle der PEFC weist auf: eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA); und eine Kathode und eine Anode, die beide zumindest eine Katalysatorschicht aufweisen. Ihre theoretische elektromotorische Kraft ist 1,23 V. In der PEFC wird ein wasserstoffhaltiges Gas zu einer Anode geliefert, und ein sauerstoffhaltiges Gas wird zu einer Kathode geliefert. Der Wasserstoff, der zur Anode geliefert wird, spaltet sich auf einem Katalysator, der in einer Katalysatorschicht der Anode enthalten ist (im Folgenden als „Anodenkatalysatorschicht” bezeichnet), in Protonen und Elektronen auf. Das Proton, das aus dem Wasserstoff erzeugt wird, erreicht durch die Anodenkatalysatorschicht und die Elektrolytmembran eine Katalysatorschicht der Kathode (im Folgenden als „Kathodenkatalysatorschicht” bezeichnet). Dagegen erreicht das Elektron die Kathodenkatalysatorschicht durch einen äußeren Kreislauf, auf diese Weise ist es möglich, elektrische Energie auszugeben. Wenn die Protonen und die Elektronen, die jeweils die Kathodenkatalysatorschicht erreicht haben, mit dem Sauerstoff regieren, der zur Kathodenkatalysatorschicht geliefert wird, wird dann Wasser erzeugt.
Als Verfahren, das auf eine solche Brennstoffzelle gerichtet ist, offenbart beispielsweise das Patentdokument 1 ein Brennstoffzellenmodul, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gestapelt sind; Dichtungen integral an den Umfangsrändern der gestapelten Membran/Elektroden-Anordnungen und von porösen Körpern ausgebildet sind, um ein einziges Modul zu bilden, das eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist; und eine Mehrzahl von Stapelkörpern zusammengebaut sind. Im Patentdokument 1 ist die Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Sammelleitungen versehen, Separatoren sind jeweils an beiden Enden des Stapelkörpers angeordnet, und ein endloses erstes Dichtelement (d. h. ein O-Ring), das die Sammelleitung umgibt, liegt zwischen den Separatoren benachbarter Stapelkörper. Außerdem offenbart das Patentdokument 1 auch eine Ausführungsform, in der eine Endlosnut an einer Position um das Sammelrohr herum ausgebildet ist, so dass die Position der Nut in einem Separator derjenigen der Nut in dem anderem Separator entspricht, wobei in der Form, in der benachbarte Stapelkörper zusammengebaut sind, das erste Dichtelement zum Teil oder im Ganzen in einem endlosen Raum aufgenommen ist, der von den beiden Nuten gebildet wird, die einander entsprechen. Das Patentdokument 2 offenbart eine Brennstoffzelle, die zumindest ein Paar aus ersten und zweiten Membran/Elektroden-Anordnungen aufweist, die an beiden Enden des Elektrolyten angeordnet sind; die Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Erzeugungseinheiten ausgestattet ist, die aus folgendem gebildet sind: einem ersten Metallseparator, der ersten Elektrolyt-Membran/Elektroden-Anordnung, einem zweiten Metallseparator, der zweiten Elektrolyt-Membran/Elektroden-Anordnung, und einem dritten Metallseparator, die in der genannten Reihenfolge übereinander liegen, wobei ein Kanal für ein Kühlmittel zwischen der Erzeugungseinheit ausgebildet ist. Das Patentdokument 3 offenbart eine Brennstoffzelle, die folgendes aufweist: einen ersten Separator und einen zweiten Separator, wobei der erste Separator einen kleineren Außendurchmesser aufweist als der zweite Separator, und wobei der Außenrand des zweiten Separators Fluidverbindungsöffnungen aufweist, die zumindest beinhalten: eine Brenngaseintritts-Verbindungsöffnung, eine Brenngasaustritts-Verbindungsöffnung, eine Oxidierungsgaseintritts-Verbindungsöffnung und eine Oxidierungsgasaustritts-Verbindungsöffnung, die in der Stapelungsrichtung jeweils an der Position, die von einem Außenumfangsende des ersten Separators aus vorsteht, hindurch verlaufen. Das Patentdokument 4 offenbart einen Separator für eine kompakte Brennstoffzelle, der aufweist: ein Gaseinlass-Sammelrohr; Gaskanäle, die streifenartig über der Elektrodenfläche in einer auf eine Batterie gerichteten Seite hindurch verlaufen; Gasnuten zum Einlassen von Gas, die in der Fläche ausgebildet sind, die der auf die Batterieseite gerichteten Fläche gegenüber liegt, um das Sammelrohr mit dem Gaskanal zu verbinden; und eine O-Ringnut, die so ausgebildet ist, dass sie den Gaskanal und die Gasnut umgibt.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung (JP-A) Nr. 2010-080222
Patentdokument 2: JP-A Nr. 2009-043665
Patentdokument 3: JP-A Nr. 2007-324108
Patentdokument 4: JP-A Nr. 2002-056859

Offenbarung der Erfindung
Probleme, die der Erfindung zugrunde liegen
In dem Verfahren, das im Patentdokument 1 offenbart ist, wird angenommen, dass es bei Verwendung eines preiswerten und leicht austauschbaren O-Rings als dem ersten Dichtelement möglich ist, beispielsweise die Effizienz bei einer Wartung zu verbessern. Wenn die Größe und die Leistung eines Brennstoffzellenmoduls festgelegt sind, ist im Allgemeinen auch der Durchmesser eines O-Rings zum Einschließen von Fluid, das in dem Brennstoffzellenmodul verendet wird, festgelegt. Üblicherweise kann in einem Fall, wo ein Separator verwendet wird, dessen Dicke größer ist als die Tiefe eines Aussparungsabschnitts zum Einbauen eines O-Rings mit einem benötigten Durchmesser, Fluid unter Verwendung eines O-Rings mit einem geeigneten Durchmesser, der in der Nut eingebaut wird, die im Separator ausgebildet ist, angemessen eingeschlossen werden. Wenn einhergehend mit der Entwicklung dünnet Einheitszellen ein dünnerer Separator verwendet wird, ist es jedoch schwierig, in einem Separator eine Nut vorzusehen, die in der Lage ist, einen O-Ring mit einem geeigneten Durchmesser aufzunehmen. Daher besteht eine potentielle Schwierigkeit für die Sicherstellung einer angemessenen Dichtungsfunktion. Solch ein Problem ist schwierig zu lösen, selbst durch eine Kombination aus der Technik, die im Patentdokument 1 offenbart ist, und den Techniken der Patentdokumente 2 bis 4.
Somit ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brennstoffzellenmoduls, das in der Lage ist, eine angemessene Dichtleistung auch dann sicherzustellen, wenn die Einheitszelle dünner gestaltet ist.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um das genannte Problem zu lösen, geht die vorliegende Erfindung folgendermaßen vor. Die Erfindung ist ein Brennstoffzellenmodul, das einen Stapelkörper aufweist, der aufweist: eine Stapelstruktur, die beinhaltet: eine Elektrolytschicht und ein Paar Elektroden, die so vorgesehen sind, dass sie die Elektrolytschicht zwischen sich anordnen; und ein Paar Separatoren, die so angeordnet sind, dass sie die Stapelstruktur zwischen sich anordnen, wobei die Separatoren, in Stapelungsrichtung gesehen, zumindest an einem Ende des Stapelkörpers angeordnet sind, die Separatoren, die am Ende des Stapelkörpers angeordnet sind, in einer Fläche, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, eine Nut aufweisen, die in der Lage ist, ein Dichtelement aufzunehmen, und die mindestens eine Nut eine tiefe Nut ist, deren Tiefe größer ist als die Dicke des Separators, der die Nut aufweist.
Wenn in der vorliegenden Erfindung ein poröser Körper (beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht), der ein Fluid durchlassen soll, zwischen einer Elektrode und einem Separator angeordnet ist, ist der poröse Körper auch ein Bestandteil der Stapelstruktur. In der vorliegenden Erfindung bedeutet außerdem der Ausdruck „Stapelungsrichtung (des Stapelkörpers)” eine Richtung, in der Elemente, aus denen der Stapelkörper aufgebaut ist, wie eine Elektrolytschicht, Elektroden und Separatoren, gestapelt sind; sie kann ausgerückt werden als „Dickenrichtung des Separators”. Der Ausdruck „die Separatoren, die am Ende des Stapelkörpers angeordnet sind”, bedeutet mindestens einen Separator von den Separatoren, die zu beiden Enden des Stapelkörpers angeordnet sind, wenn die Separatoren, in der Stapelungsrichtung gesehen, jeweils zu beiden Enden des Stapelkörpers angeordnet sind. Wenn dagegen ein Separator, in der Stapelungsrichtung gesehen, an einem Ende des Stapelkörpers angeordnet ist, und ein Bestandteil, bei dem es sich nicht um den Separator handelt, in der Stapelungsrichtung gesehen am anderen Ende angeordnet ist, bedeutet der Ausdruck „die Separatoren, die am Ende des Stapelkörpers angeordnet sind” einen Separator, der, in Stapelungsrichtung gesehen, an einem Ende des Stapelkörpers angeordnet ist. In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Fläche, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt” die Unterseite (oder die Oberseite) eines Separators, wenn die Oberseite (die Unterseite) des Separators dem Stapelkörper gegenüber liegt. In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Dicke des Separators, der die Nut aufweist” bzw. „Dicke des Separators mit der Nut” eine Dicke eines Separators an einer Position desselben, die der Stapelstruktur in der Stapelungsrichtung des Stapelkörpers gegenüber liegt. Außerdem weist das Brennstoffzellenmodul der Erfindung einen einzelnen Stapelkörper oder zwei oder mehr laminierte Stapelkörper auf.
In der genannten Erfindung kann die Höhe eines Vorsprungs, der in einer Fläche des Separators mit der tiefen Nut ausgebildet ist, die keine tiefe Nut aufweist, größer sein als die Dicke der Stapelstruktur, die den Separator berührt.
Wenn die tiefe Nut zum Beispiel an der Oberseite (oder Unterseite) des Separators vorgesehen ist, bedeutet der Ausdruck „eine Fläche des Separators mt der tiefen Nut, die keine tiefe Nut aufweist” hierbei die Unterseite (oder die Oberseite) des Separators. Der Ausdruck „ein Vorsprung, der in einer Fläche des Separators mit der tiefen Nut ausgebildet ist, die keine tiefe Nut aufweist” bedeutet einen Vorsprung, der in der Unterseite (oder der Oberseite) des Separators dadurch ausgebildet ist, dass die tiefe Nut in der Oberseite (oder der Unterseite) des Separators vorgesehen ist.
Außerdem kann in der vorliegenden Erfindung, wenn die Höhe des Vorsprungs größer ist als die Dicke der Stapelstruktur, die den Separator berührt, mindestens einer der Separatoren, die keine tiefe Nut aufweisen, einen Aussparungsabschnitt aufweisen, der in der Lage ist, zumindest einen Teil der Höhe des Vorsprungs aufzunehmen.
Hierbei bedeutet die Aussage „mindestens einer der Separatoren, der keine tiefe Nut aufweist, weist einen Aussparungsabschnitt auf, der in der Lage ist, zumindest einen Teil der Höhe des Vorsprungs aufzunehmen”, dass mindestens einer der Separatoren, die keine tiefe Nut aufweisen, einen Aussparungsabschnitt aufweist, bei dem die Gesamtdicke eines Separators, der keinen Aussparungsabschnitt aufweist, und von zwei beiden Separatoren.
In der vorliegenden Erfindung kann ferner die Ausdehnung einer Fläche mindestens eines der Separatoren ohne tiefe Nut, deren Normale die Stapelungsrichtung ist, kleiner sein als der Separator mit der tiefen Nut, der kleinere Separator und der Separator mit der tiefen Nut können so angeordnet sein, dass der Außenrand des Separators mit der tiefen Nut im Umfang des kleineren Separator angeordnet ist, und die tiefe Nut kann im Außenrand des Separators mit der tiefen Nut vorgesehen sein, der im Umfang des kleineren Separators angeordnet ist.
In der oben genannten Erfindung weist der Separator mit der tiefen Nut ferner vorzugsweise einen Fluideinlasskanal auf, der durch ihn hindurchgeht, und die Nut, die an der Position vorgesehen ist, die den Fluideinlasskanal aufweist, ist flacher als mindestens eine der Nuten, die an der Position vorgesehen sind, die keinen Fluideinlasskanal aufweist.
Hierbei bedeutet der Ausdruck „die Nut, die an der Position vorgesehen ist, die den Fluideinlasskanal aufweist” eine Nut des Separators, wo die Nut, wenn auf eine Schnittebene (welche die Dickenrichtung des Separators als die vertikale Richtung definiert) an einer Position (wo sich der Fluideinlasskanal befindet) des Separators mit einer Nut geblickt wird, auf der Oberseite oder der Unterseite des Fluideinlasskanals vorgesehen ist; das heißt, es ist eine Nut, die so vorgesehen ist, dass sie über den Fluideinlasskanal hinweg verläuft. In der Erfindung sind die Nut und der Fluideinlasskanal nicht miteinander verbunden.
Ferner weist in der oben genannten Erfindung eine Fläche des Separators, der an einem Ende des Stapelkörpers in der Stapelungsrichtung angeordnet ist, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, vorzugsweise einen Kanal, durch den ein Kühlmittel oder ein sauerstoffhaltiges Gas strömen kann, und eine Nut auf, die in der Lage ist, ein Dichtelement aufzunehmen, um zu verhindern, dass ein Kühlmittel oder ein sauerstoffhaltiges Gas aus dem Kanal strömt, und die Nut ist im Außenrand des Separators derart vorgesehen, dass die Nut um den Kanal, das Sammelrohr für die Luft, die zur Stapelstruktur geliefert werden soll, und das Sammelrohr für das Kühlmittel herum läuft.
Hierbei bedeutet der Ausdruck „Luft, die zum Stapelkörper geliefert werden soll” ein wasserstoffhaltiges Gas und ein sauerstoffhaltiges Gas.
Wirkungen der Erfindung
Das Brennstoffzellenmodul der vorliegenden Erfindung weist Separatoren mit tiefen Nuten auf. Durch einen Aufbau mit einem Separator, der eine tiefe Nut aufweist, kann selbst dann, wenn die Brennstoffzelle dünner gefertigt wird, sichergestellt werden, dass die tiefe mit einer Tiefe ausgebildet wird, die nötig ist, um ein Dichtelement, wie einen O-Ring, eine Dichtung und ein Haftmittel, aufzunehmen. Durch Sicherstellen, dass die tiefe Nut eine Tiefe aufweist, die nötig ist, um das Dichtelement aufzunehmen, kann eine angemessene Abdichtungsfunktion mühelos sichergestellt werden. Somit kann mit der Erfindung ein Brennstoffzellenmodul vorgesehen werden, das in der Lage ist, eine angemessene Dichtungsfunktion auch dann mühelos sicherzustellen, wenn die Einheitszelle dünner gestaltet wird.
In der vorliegende Erfindung kann auch in einem Fall, wo die Höhe des Vorsprungs, der in einer Fläche des Separators mit der tiefen Nut ausgebildet ist, die keine tiefe Nut aufweist, größer ist als die Dicke der Stapelstruktur, die den Separator berührt, durch Modifizierten eines Separators, bei dem es sich nicht um den Separator handelt, der die tiefe Nut aufweist, selbst dann, wenn die Einheitszelle dünner gestaltet wird, ein Brennstoffzellenmodul bereitgestellt werden, das in der Lage ist, mühelos eine angemessene Dichtfunktion sicherzustellen.
Außerdem ist es in der vorliegenden Erfindung, wo die Höhe des Vorsprungs größer ist als die Dicke der Stapelstruktur, die den Separator berührt, wenn mindestens einer der Separatoren, der keine tiefe Nut aufweist, einen Aussparungsabschnitt aufweist, der in der Lage ist, mindestens einen Teil der Höhe des Vorsprungs aufzunehmen, leicht, eine Verdünnung der Einheitszelle zu erreichen, und trotzdem eine angemessene Dichtungsfunktion sicherzustellen.
Ferner ist es in der vorliegende Erfindung mit einem Aufbau, wo eine tiefe Nut im Außenrand eines Separators mit einer tiefen Nut vorgesehen ist, der sich im Umfang des kleinere Separators befindet, leicht, eine Verdünnung der Einheitszelle zu erreichen, und trotzdem eine angemessene Dichtleistung sicherzustellen.
Ferner kann in der vorliegenden Erfindung mit einem Aufbau, wo die Nut, die an der Position vorgesehen ist, die den Fluideinlasskanal aufweist, flacher ist als mindestens eine der Nuten, die an der Position vorgesehen sind, die keinen Fluideinlasskanal aufweist, die Dicke des Separators effizient genutzt werden; dadurch kann auf einfache Weise eine Verdünnung der Einheitszelle erreicht werden, während eine angemessene Dichtungsfunktion sichergestellt wird.
In der vorliegenden Erfindung mit einem Aufbau, wo ein Kanal, durch den ein Kühlmittel oder ein sauerstoffhaltiges Gas strömen kann, und eine Nut, die in der Lage ist, ein Dichtelement aufzunehmen, um ein Ausströmen eines Kühlmittels oder eines sauerstoffhaltigen Gases durch die Leitung zu verhindern, sich in einer Oberfläche des Separators befinden, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, und die Nut so vorgesehen ist, dass sie den Kanal, die Sammelleitung für Luft, die zur Stapelstruktur geliefert werden soll, und die Sammelleitung für das Kühlmittel umgibt, zusätzlich zu den oben genannten Wirkungen eine Platzverschwendung des Brennstoffzellenmoduls verhindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenmoduls 100;
2 ist eine Querschnittsdarstellung des Brennstoffzellenmoduls 100;
3 ist eine Querschnittsdarstellung einer Stapelstruktur 5;
4 ist eine Draufsicht auf einen Separator 1;
5 ist eine Draufsicht auf eine herkömmliche Dichtmethode;
6 ist eine Querschnittsdarstellung eines Stapelkörpers 30;
7 ist eine Querschnittsdarstellung der laminierten Stapelkörper 30, 30;
8 ist eine Draufsicht auf den Separator 40;
9 ist eine Querschnittsdarstellung des Separators 40; und
10 ist eine weitere Querschnittsdarstellung des Separators 40.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die nachstehend dargestellten Ausführungsformen Beispiele für die vorliegende Erfindung sind, so dass die Erfindung durch die Ausführungsformen nicht beschränkt wird. Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, ist möglicherweise ein Teil der Bezugszeichen in den Zeichnungen nicht dargestellt.
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenmoduls 100. In 1 ist ein Teil des Querschnitts des Brennstoffzellenmoduls 100 dargestellt, In 1 sind ein Wasserstoffgas-Einlasskanal, der eine Wasserstoff-Sammelleitung 7 mit Wasserstoff-Strömungswegen 1b, 3a verbindet, ein Lufteinlasskanal, der eine Luftsammelleitung (nicht dargestellt) mit Luftströmungswegen 2a, 4b verbindet, und ein Kühlmittel-Einlasskanal, der eine Kühlmittel-Sammelleitung (nicht dargestellt) mit Kühlmittelkanälen 1a, 4a, 11 verbindet, nicht dargestellt.
Wie in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellenmodul 100 eine Stapelkörper 10 auf, der aufweist: Stapelstrukturen 5, 5; Separatoren 1, 2, 3, 4, die so angeordnet sind, dass sie die Stapelstrukturen 5, 5 zwischen sich anordnen; eine Öffnung 7, die als Wasserstoff-Sammelleitung dient, eine Luftsammelleitung (nicht dargestellt); und eine Kühlmittel-Sammelleitung. An beiden Enden des Stapelkörpers 10 in der Stapelungsrichtung (d. h. der vertikalen Richtung von 1) sind jeweils ein Separator 1 und ein Separator 4 angeordnet. Haftmittel 6, 6 sind im Außenrand der Stapelstrukturen 5, 5 angeordnet, wobei die Haftmittel 6, 6, der Außenrand der Separatoren 1, 3, 4 und eine Stirnfläche des Separators 2 festliegen. Der Separator 1 weist in einer Fläche, die der Stapelstruktur 5 nicht gegenüber liegt, tiefe Nuten 1x, 1y auf, die in der Lage sind, O-Ringe 8, 9 als Dichtelemente aufzunehmen. Darüber hinaus weist der Separator 4 in einer Fläche, die der Stapelstruktur 5 nicht gegenüber liegt, tiefe Nuten 4x, 4y auf, die in der Lage sind, O-Ringe 8, 9 als Dichtelemente aufzunehmen. Das Brennstoffzellenmodul 100 wird solchermaßen verwendet, dass die laminierte Mehrzahl von Stapelkörpern 10, 10, ... in einem (nicht dargestellten) Gehäuse enthalten ist.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Zustands, in dem die Mehrzahl von Stapelkörpern 10, 10 laminiert ist. In 2 sind ein Wasserstoffgas-Einlasskanal, der die Wasserstoff-Sammelleitung 7 mit den Wasserstoffgas-Strömungswegen 1b, 3a verbindet, ein Lufteinlasskanal, der die (nicht dargestellte) Luftsammelleitung mit den Luftströmungswegen 2a, 4b verbindet, und ein Kühlmittel-Einlasskanal, der die (nicht dargestellte) Kühlmittel-Sammelleitung mit den Kühlmittelkanälen 1a, 4a, 11, 12 verbindet, nicht dargestellt. Wie in 2 dargestellt, ist, wenn eine Mehrzahl der Stapelkörper 10, 10 laminiert ist, der O-Ring 8 in einem Raum angeordnet, der von der tiefen Nut 1x und der tiefen Nut 4x definiert wird, und der O-Ring 9 ist in einem Raum angeordnet, der von der tiefen Nut 1y und der tiefen Nut 4y definiert wird. Um eine vorgegebene Dichtungseigenschaft zu gewährleisten, ist die Gesamttiefe der tiefen Nut 1x und der tiefen Nut 4x kleiner als der Durchmesser des O-Rings 8; mit dem so angeordneten O-Ring 8 kann ein Austreten von Wasserstoff, der durch die Wasserstoff-Sammelleitung 7 strömt, verhindert werden. Außerdem ist die Gesamttiefe der tiefen Nut 1y und der tiefen Nut 4y kleiner als der Durchmesser des O-Rings 9, um eine vorgegebene Dichtungseigenschaft zu gewährleisten; mit dem so angeordneten O-Ring 9 kann ein Austreten des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal 12 strömt, verhindert werden.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen Teil der Stapelstruktur 5 vergrößert darstellt. Wie in 3 dargestellt, weist die Stapelstruktur 5 auf: eine Festpolymer-Elektrolytmembran 5a (im Folgenden einfach als „Elektrolytmembran 5a” bezeichnet); eine MEA 5x mit einer Anodenelektrode 5b und einer Kathodenelektrode 5c, die so angeordnet sind, dass sie die Elektrolytmembran 5a zwischen sich anordnen; und eine Gasdiffusionsschicht 5d und eine Gasdiffusionsschicht 5e, die so angeordnet sind, dass sie die MEA 5x zwischen sich anordnen. In der Stapelstruktur 5 ist die Gasdiffusionsschicht 5e auf der Seite der Kathodenelektrode 5b angeordnet; die Gasdiffusionsschicht 5e ist auf der Seite der Kathodenelektrode 5c angeordnet. Das Brennstoffzellenmodul 100 wird mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. Beispielsweise erreicht ein Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffgas-Strömungsweg 1b zur Stapelstruktur 5 geliefert wurde, die Anodenelektrode 5b durch eine Gasdiffusionsschicht 5d. In der Anodenelektrode 5b läuft eine Reaktion ab, die durch die folgende Formel (1) ausgedrückt wird; dann werden Protonen und Elektronen erzeugt. H₂ → 2H⁺ + 2e^–(1)
Die in der Anodenelektrode 5b erzeugten Protonen erreichen die Kathodenelektrode 5c durch eine Elektrolytmembran 5a; während die Elektronen, die in der Anodenelektrode 5b erzeugt werden, die Kathodenelektrode 5c über einen externen Kreislauf erreichen, da die Elektrolytmembran 5a keine Elektronenleitfähigkeit aufweist.
Dagegen erreicht beispielsweise die Luft, die durch den Luftströmungsweg 2a zur Stapelstruktur 5 geliefert wurde, die Kathodenelektrode 5 durch die Gasdiffusionsschicht 5e. Dann reagiert Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die zur Kathodenelektrode 5c geliefert wurde, sowohl mit Protonen als auch mit Elektronen, die von der Anodenelektrode 5b übertragen wurden, in der Kathodenelektrode 5c, um Wasser zu erzeugen. Die Reaktion in der Kathodenelektrode 5c, durch die Wasser erzeugt wird, wird durch die folgende Forme (2) ausgedrückt. O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O (2)
Wie in 1 und 2 dargestellt, weist das Brennstoffzellenmodul 100 auf: den Separator 1 mit den tiefen Nuten 1x, 1y; und den Separator 4 mit den tiefen Nuten 4x, 4y. Die tiefen Nuten 1x, 1y und die tiefen Nuten 4x, 4y können anhand eines bekannten Verfahrens gebildet werden, beispielsweise durch Pressen, Ziehen und Harzgießen. Anders ausgedrückt, mit zunehmender Verdünnung der Einheitszelle kann die tiefe Nut im Brennstoffzellenmodul der Erfindung leicht ausgebildet werden, auch wenn die Dicke des Separators dünner wird Durch Sicherstellen der tiefen Nut auch dann, wenn die Einheitszelle dünner wird, kann eine angemessene Dichtungsfunktion (Dichtungseigenschaft) unter Verwendung nicht nur einer Dichtung und eines Haftmittels, sondern auch eines preiswerten und leicht austauschbaren O-Rings sichergestellt werden. Somit kann mit der vorliegenden Erfindung selbst dann, wenn die Einheitszelle dünner gestaltet wird, das Brennstoffzellenmodul 100 bereitgestellt werden, das in der Lage ist, eine angemessene Dichtungsfunktion ohne Weiteres bereitzustellen.
4 ist eine Draufsicht auf den Separator 1. Wie in 4 dargestellt, weist der Separator 1 auf: Öffnungen 7, 13 der Wasserstoff-Sammelleitung; Öffnungen 14, 15 der Luftsammelleitung; und Öffnungen 16, 18 der Kühlmittel-Sammelleitung. Die Öffnungen 16 und 18 sind über lineare Kühlmittelkanäle 17, die in der oberen Fläche des Separators 1 ausgebildet sind, miteinander verbunden. Im Separator 1 ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 17a, 17a, ... zwischen der Öffnung 16 und dem Kühlmittelkanal 17 vorgesehen, und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 17b, 17b ist zwischen dem Kühlmittelkanal 17 und der Öffnung 18 vorgesehen. Wie in 4 dargestellt, ist der O-Ring 8 um die Öffnung 7 herum angeordnet, der O-Ring 19 ist um die Öffnung 13 herum angeordnet, der O-Ring 20 ist um die Öffnung 14 herum angeordnet, und der O-Ring 21 ist um die Öffnung 15 herum angeordnet. Dann ist der O-Ring 9 am Außenrand des Separators 1 auf solche Weise angeordnet, dass er diese O-Ringe umschließt. Mit einem solchen Aufbau kann ein Austreten von Wasserstoffgas durch die O-Ringe 8, 19 verhindert werden; kann ein Austreten von Luft durch die O-Ringe 20, 21 verhindert werden, und kann ein Austreten des Kühlmittels durch den O-Ring 9 verhindert werden.
5 ist eine Draufsicht, die eine herkömmliche Abdichtmethode darstellt. In 5 haben Elemente, die genauso aufgebaut sind wie diejenigen des Separators 1 gleiche Bezugszahlen wie in 4, und auf ihre Erklärung wird verzichtet. Wie in 5 dargestellt, wird in einem herkömmlichen Separator 91, wenn das Kühlmittel, das durch die Öffnung 16, den Kühlmittelkanal 17 und die Öffnung 18 strömt, eingeschlossen wird, ein Dichtmittel 92 entlang des Außenrands der Öffnung 16, des Kühlmittelkanals 17 und der Öffnung 18 angeordnet. Dadurch, dass das Dichtmittel 92 auf diese Weise angeordnet wird, kann die Fläche, die vom Dichtmittel 92 umschlossen wird, verkleinert werden. Jedoch weist das in 5 dargestellte Dichtmittel eine kompliziertere Form auf als das in 4 dargestellte Dichtmittel 9. Wenn ein O-Ring mit komplizierter Form in die Nut eingesetzt wird, wird der O-Ring verdreht; dadurch kann eine angemessene Dichtungsfunktion nur schwer sichergestellt werden. Somit ist es schwierig, einen O-Ring als das Dichtelement 92 zu verwenden. Selbst wenn die Form von Nuten kompliziert ist, kann ein Dichtelement wie eine Dichtung und ein Haftmittel verwendet werden; daher werden üblicherweise eine Dichtung und ein Haftmittel als Dichtelement 92 verwendet. Beim Herausnehmen eines der Stapelkörper 10, der ausgetauscht werden soll, aus einer Mehrzahl der Stapelkörper 10, 10, ..., die laminiert sind (in 2 dargestellt), ist es jedoch schwierig, nur das Haftmittel auszutauschen, wenn ein Haftmittel als das Dichtelement 92 verwendet wird. Daher muss eine Mehrzahl der Stapelkörper 10, 10 ..., die im Ganzen an dem Haftmittel haften, ersetzt werden, wodurch die Austauschkosten steigen können. Außerdem ist es schwierig, das Haftmittel nach Laminierung einer Mehrzahl der Stapelkörper 10, 10, ... einzuspritzen und aushärten zu lassen. Wenn dagegen eine Dichtung als Dichtelement 92 verwendet wird, weil die Dichtung ersetzt werden kann, kann eine Dichtung, die bei Herausnahme des Stapelkörpers 10 kaputt gegangen ist, durch eine neue Dichtung ersetzt werden. Jedoch ist eine Dichtung teurer als ein O-Ring, daher sind bei Verwendung einer Dichtung als Dichtelement 92 die Austauschkosten im Vergleich zum Fall der Verwendung eines O-Rings eher höher.
Wie in 4 dargestellt, ist dagegen der O-Ring 9 im Außenrand des Separators 1 auf solche Weise angeordnet, dass er den O-Ring 19, die Öffnung 16, den O-Ring 20, den Kühlmittelkanal 17, den O-Ring 8, die Öffnung 18 und den O-Ring 21 umschließt. Dadurch, dass der O-Ring 9 in einer solchen Position angeordnet ist, kann die Form einfacher gestaltet werden als diejenige des Dichtelements 92, und ein Verdrehen des O-Rings 9 kann verhindert werden. Selbst wenn der O-Ring 9 verwendet wird, kann daher eine angemessene Dichtungsfunktion sichergestellt werden. Der O-Ring 9 kann leichter ersetzt werden und ist preiswerter als eine Dichtung. Daher können im Vergleich mit dem Fall der Verwendung eines Haftmittels und einer Dichtung als Dichtelement die Kosten für den Austausch eines der Stapelkörper 10 und für das Wiederzusammensetzen des Brennstoffzellenmoduls 100 verringert werden. Außerdem kann der O-Ring 9 leichter als eine Dichtung abgelöst werden, daher wird dadurch die Austauscheffizienz erhöht. Da der O-Ring keine Vorsprünge aufweist wie eine Dichtung sie aufweist, kann außerdem die Oberfläche des laminierten Stapelkörpers glatt gestaltet werden; dadurch kann die Austauscheffizienz erhöht werden.
In der obigen Beschreibung ist eine Ausführungsform dargestellt, in der die O-Ringe 8, 9, 19, 20, 21 als Dichtelemente verwendet werden; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Im Brennstoffzellenmodul der Erfindung kann ein Dichtelement verwendet werden, bei dem es sich nicht um einen O-Ring handelt (beispielsweise ein Klebstoff und eine Dichtung). Es sei klargestellt, dass zum Erhalt eines Aufbaus, der in der Lage ist, eine angemessene Dichtungsfunktion mit Senkung der Kosten für den Austausch des Stapelkörpers und Verbesserung der Arbeitseffizienz auf einfache Weise sicherzustellen, ein O-Ring bevorzugt als das Dichtelement verwendet wird.
Darüber hinaus weisen in der obigen Beschreibung, wie in 1 und 2 dargestellt, Ausführungsformen auf: einen Separator 1 mit den tiefen Nuten 1x, 1y, deren Tiefe größer ist als die Dicke des Separators 1, der der Stapelstruktur 5 in der Stapelrichtung des Stapelkörpers 10 gegenüber liegt; und einen Separator 4 mit den tiefen Nuten 4x, 4y, deren Tiefe größer ist als die Dicke des Separators 4 an einer Position, die der Stapelstruktur 5 in der Stapelrichtung des Stapelkörpers 10 gegenüber liegt. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Brennstoffzellenmodul der Erfindung kann einen Aufbau aufweisen, bei dem ein Separator mit den tiefen Nuten nur an einem Ende des Stapelkörpers in der Stapelungsrichtung vorgesehen ist, während ein Separator ohne die tiefe Nut am anderen Ende des Stapelkörpers vorgesehen ist.
Außerdem weisen in der obigen Beschreibung, wie in 1 und 2 dargestellt, Ausführungsformen einen Separator 1 auf, bei dem die Höhe eines Vorsprungs, der in der Fläche ausgebildet ist, die keine tiefen Nuten 1x, 1y aufweist, größer ist als die Dicke der Stapelstruktur 5. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Bremistoffzellenmodul der Erfindung kann mit einem Separator (der die tiefen Nuten aufweist und an dem die Höhe des Vorsprungs größer ist als die Dicke der Stapelstruktur) an beiden Enden des Stapelkörpers ausgestattet sein; es kann auch so aufgebaut sein, dass der Separator (der die tiefen Nuten aufweist, und bei dem die Höhe des Vorsprungs größer ist als die Dicke der Stapelstruktur) nicht am Stapelkörper vorgesehen ist.
Ferner sind in der obigen Beschreibung, wie in 1 und 2 dargestellt, die Ausführungsformen so aufgebaut, dass der Separator 1 und der Separator 2 so angeordnet sind, dass der Außenrand des Separators 1 sich im Umfang des Separators 2 befindet, dessen Fläche, deren Normale die Stapelungsrichtung ist, kleiner ist als der Separator 1; und die tiefen Nuten 1x, 1y sich im Außenrand des Separators 2 befinden. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Wenn ein Separator, an dem die Höhe des Vorsprungs, der in der nach hinten gewandten Seite des Separators mit der tiefen Nut ausgebildet ist, größer ist als die Dicke der Stapelstruktur, für das Brennstoffzellenmodul der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, kann die Höhe des Vorsprungs durch Modifizieren der Form in der Dickenrichtung des Separators aufgenommen werden, ohne die tiefe Nut vorsehen zu müssen, und nicht durch Verkleinern der Fläche des Separators, wie im Brennstoffzellenmodul 100. Eine Ausführungsform des Stapelkörpers, in der die Höhe des Vorsprungs durch Modifizieren von dessen Form in der Dickenrichtung des Separators, der keine tiefe Nut aufweist, aufgenommen wird, ist in 6 dargestellt.
6 ist eine Querschnittsdarstellung eines Stapelkörpers 30. 6 zeigt einen Querschnitt eines Teils des Stapelkörpers 30. In 6 sind ein Wasserstoffgas-Einlasskanal, der die Wasserstoff-Sammelleitung 7 mit Wasserstoff-Strömungswegen 31b, 33a verbindet, ein Lufteinlasskanal, der die (nicht dargestellte) Luftsammelleitung mit den Luftströmungswegen 32a, 34b verbindet, und ein Kühlmittel-Einlasskanal, der die Kühlmittel-Sammelleitung (nicht dargestellt) mit Kühlmittelkanälen 31a, 34a, 11 verbindet, nicht dargestellt. In 6 haben die Elemente, die genauso aufgebaut sind wie diejenigen im Brennstoffzellenmodul 100, gleiche Bezugszahlen wie diejenigen, die in 1 verwendet werden, und auf ihre Erklärung wird verzichtet. Wie in 6 dargestellt ist, weist der Stapelkörper 30 auf: Stapelstrukturen 5, 5; Separatoren 31, 32, 33, 34, die so angeordnet sind, dass sie die Stapelstrukturen 5, 5 zwischen sich anordnen; eine Öffnung 7, die als Wasserstoff-Sammelleitung dient; eine (nicht dargestellte) Luftsammelleitung; und eine Kühlmittel-Sammelleitung. Der Stapelkörper 3 ist in der Stapelungsrichtung (d. h. in der vertikalen Richtung von 6) gesehen mit dem Separator 31 an einem Ende und mit dem Separator 34 am anderen Ende versehen. Haftmittel 6, 6, 6 sind im Außenrand der Stapelstrukturen 5, 5 angeordnet; durch Verwenden der Haftmittel 6, 6, 6 sind die Außenränder der Separatoren 31, 32, 33, 34 festgelegt. Der Separator 31 weist in einer Fläche, die der Stapelstruktur 5 nicht gegenüber liegt, tiefe Nuten 31x, 31y auf, die in der Lage sind, O-Ringe 8, 9 als Dichtelement aufzunehmen; während der Separator 32 in einer Fläche, die der Stapelstruktur 5 nicht gegenüber liegt, tiefe Nuten 34x, 34y aufweist, die in der Lage sind, O-Ringe 8, 9 als Dichtelement aufzunehmen. Die tiefen Nuten 31x, 31y und die tiefen Nuten 34x, 34y können anhand von bekannten Verfahren, wie Pressen, Ziehen und Harzgießen, gebildet werden.
7 ist eine Querschnittsdarstellung eines Zustands, in dem eine Mehrzahl der Stapelkörper 30, 30 laminiert ist. In 7 sind ein Wasserstoffgas-Einlasskanal, der die Wasserstoff-Sammelleitung 7 mit Wasserstoff-Strömungswegen 31b, 33a verbindet, ein Lufteinlasskanal, der die (nicht dargestellte) Luftsammelleitung mit den Luftströmungswegen 32a, 34b verbindet, und ein Kühlmittel-Einlasskanal, der die Kühlmittel-Sammelleitung (nicht dargestellt) mit Kühlmittelkanälen 31a, 34a, 11, 12 verbindet, nicht dargestellt. In 7 haben die Elemente, die genauso aufgebaut sind wie diejenigen im Brennstoffzellenmodul 100 gleiche Bezugszahlen wie diejenigen, die in 2 verwendet werden, und auf ihre Erklärung wird verzichtet. Wie in 7 dargestellt, wird der O-Ring 8, wenn eine Mehrzahl der Stapelkörper 30, 30 laminiert ist, in einem Raum angeordnet, der von der tiefen Nut 31x und der tiefen Nut 34x definiert ist, und der O-Ring 9 wird in einem Raum angeordnet, der von der tiefen Nut 31y und der tiefen Nut 34y definiert ist. Um eine vorgegebene Dichtungseigenschaft sicherzustellen, ist die Gesamttiefe der tiefen Nut 31x und der tiefen Nut 34x kleiner als der Durchmesser des O-Rings 8; mit dem solchermaßen angeordneten O-Ring 8 kann ein Austreten von Wasserstoff, der durch die Wasserstoff-Sammelleitung 7 strömt, verhindert werden. Um eine vorgegebene Dichtungseigenschaft sicherzustellen, ist die Gesamtdicke der tiefen Nut 31y und der tiefen Nut 34y kleiner als der Durchmesser des O-Rings 9, mit dem solchermaßen angeordneten O-Ring 9 ist es möglich, ein Austreten des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal 12 strömt, zu verhindern.
Wie in 6 dargestellt, nimmt der Separator 32, der keine tiefe Nut aufweist, durch Modifizieren der Form des Separators 32 in der Dickenrichtung (d. h. der vertikalen Richtung in 6) und durch Ausbilden des Aussparungsabschnitts 32x in der aufwärts gewandten Fläche des Separators 32 (d. h. der Oberseite von 6) einen Teil der Höhe des Vorsprungs, der in der rückwärts gewandten Seite der tiefen Nuten 31x, 31y (d. h. der unteren Seite von 6) ausgebildet ist, auf. Der Separator 33, der keine tiefe Nut aufweist, nimmt einen Teil der Höhe des Vorsprungs, der in der rückwärts gewandten Seite der tiefen Nuten 34x, 34y (d. h. der Oberseite von 6) ausgebildet ist, durch Modifizieren der Form des Separators 33 in der Dickenrichtung (d. h. der vertikalen Richtung von 6) und durch Ausbilden des Aussparungsabschnitts 33x in der Unterseite des Separators 33 (d. h. der Unterseite von 6) auf. Selbst bei dem Stapelkörper 30, der solchermaßen aufgebaut ist, können die tiefen Nuten 31x, 31y und die tiefen Nuten 34x, 34y sichergestellt werden. Daher kann auf die gleiche Weise wie im Stapelkörper 10, auch wenn die Dicke des Separators dünner gemacht wird, die Dichtungsfunktion (Dichtungseigenschaft) nicht nur durch Verwenden einer Dichtung und eines Haftmittels, sondern auch durch Verwenden eines preiswerten und leicht austauschbaren O-Rings 8, 9 sichergestellt werden. Somit kann durch die vorliegende Erfindung mit dem Stapelkörper 30 ein Brennstoffzellenmodul bereitgestellt werden, das in der Lage ist, eine angemessene Dichtungsfunktion auf einfache Weise sicherzustellen, selbst wenn die Einheitszelle dünner gestaltet wird.
Wie in 1, 2, 6, und 7 dargestellt, zeigt die obige Beschreibung der Erfindung Ausführungsformen, in denen die Tiefe der jeweiligen Separatoren jeweils gleich ist. Jedoch ist das Brennstoffzellenmodul der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Das Brennstoffzellenmodul der Erfindung kann eine Ausführungsform aufweisen, die einen Separator mit einer Mehrzahl von Nuten aufweist, deren Tiefe sich jeweils unterscheidet. Daher wird die Ausführungsform, die einen Separator mit einer Mehrzahl von Nuten aufweist, deren Tiefe sich jeweils unterscheidet, wie folgt beschrieben.
8 ist eine Draufsicht auf einen Separator 40, der für das Brennstoffzellenmodul der Erfindung vorgesehen ist. Wie in 8 dargestellt, ist eine Separator 41, in Stapelungsrichtung gesehen, in einem Ende des Stapelkörpers 40 vorgesehen. Der Separator 41 weist auf: Öffnungen 46, 47 der Wasserstoff-Sammelleitung; Öffnungen 48, 49 der Luftsammelleitung; und Öffnungen 50, 51 der Kühlmittel-Sammelleitung. Die Öffnungen 50 und 51 sind über einen linearen Kühlmittelkanal 41a, der in der Oberfläche des Separators 41 ausgebildet ist, miteinander verbunden. im Separator 41 ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 41c, 41c, ... zwischen der Öffnung 50 und dem Kühlmittelkanal 41a vorgesehen, und eine Mehrzahl von Vorspringen 41d, 41d, ... ist zwischen dem Kühlmittelkanal 41a und der Öffnung 51 vorgesehen. Wie in 8 dargestellt, ist ein O-Ring 55 um die Öffnung 49 herum vorgesehen. Dann ist ein O-Ring 56, dessen Durchmesser größer ist als derjenige der O-Ringe 52, 53, 54, 55, im Außenrand des Separators 41 auf solche Weise vorgesehen, dass er diese O-Ringe umschließt. Mit einem solchen Aufbau kann ein Austreten von Wasserstoffgas durch die O-Ringe 52, 53 verhindert werden; kann ein Austreten von Luft durch die O-Ringe 54, 55 verhindert werden; und kann ein Austreten des Kühlmittels durch den O-Ring 56 verhindert werden.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung entlang der Linie IX-IX von 8. Um den Blick auf die Nut 41x zu erleichtern, zeigt 9 nicht den O-Ring 55, der für die Nut 41x vorgesehen ist. 10 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung entlang der Linie X-X von 8. Um den Blick auf die Nut 41z zu erleichtern, zeigt 10 nicht den O-Ring 53, der für die Nut 41z vorgesehen ist. Wie in 9 und 10 dargestellt, weist der Stapelkörper 40 auf: die Stapelstrukturen 5, 5; die Separatoren 41, 42, 43, 44, die so vorgesehen sind, dass sie die Stapelstrukturen 5, 5 zwischen sich anordnen, die Öffnung 47, die als Wasserstoff-Sammelleitung dient, und die Öffnung 49, die als Luftsammelleitung dient. In dem Stapelkörper 40 ist der Separator 41 in der Stapelungsrichtung (d. h. in der vertikalen Richtung von 9 und 10) gesehen in einem Ende vorgesehen, und der Separator 44 ist im anderen Ende vorgesehen. Haftmittel 45, 45, 45 sind im Außenrand der Stapelstrukturen 5, 5 vorgesehen; durch die Verwendung der Haftmittel 45, 45, 45 sind die Außenränder der Separatoren 41, 42, 43, 44 festgelegt. Der Separator 41 weist auf: die tiefe Nut 41y, in die der O-Ring 56 eingesetzt ist; die Nut 41x, in die der O-Ring 55 eingesetzt ist, und die Nut 41z, in die der O-Ring 53 eingesetzt ist, jeweils in einer Fläche, die der Stapelstruktur 5 nicht gegenüber liegt, wohingegen der Separator 44 aufweist: den Kühlmittelkanal 44a, die tiefe Nut 44y, die in der Lage ist, den O-Ring 56 aufzunehmen, die Nut 44x, die in der Lage ist, den O-Ring 55 aufzunehmen, und die Nut 44z, die in der Lage ist, den O-Ring 53 aufzunehmen, jeweils in einer Fläche, die der Stapelstruktur 5 nicht gegenüber liegt. Die Nuten 41x, 41z, 44x 44z und die tiefen Nuten 41y, 44y können anhand eines bekannten Verfahrens ausgebildet werden, beispielsweise durch Pressen, Ziehen und Harzgießen.
Wie in 10 dargestellt, ist der Separator 41 mit einem Fluideinlasskanal 41p (nachstehend als „Wasserstoff-Einlasskanal 41p” bezeichnet) versehen, der die Öffnung 47 mit dem Wasserstoffgas-Einlassweg 41b verbindet; während der Separator 43 mit einem Fluideinlasskanal 43x versehen ist, der die Öffnung 47 mit dem Wasserstoff-Strömungsweg 43a verbindet. Außerdem ist der Separator 42, wie in 9 dargestellt, mit einem Fluideinlasskanal 42x versehen, der die Öffnung 49 mit dem Luftströmungsweg 42a verbindet, während der Separator 44 mit einem Fluideinlasskanal 44p (im Folgenden als „Lufteinlasskanal 44p” bezeichnet) versehen ist, der die Öffnung 49 mit dem Luftströmungsweg 44b verbindet. Wie in 9 und 10 dargestellt, ist die Tiefe der Nut 41z, die solchermaßen vorgesehen ist, dass sie über den Wasserstoff-Einlasskanal 41p hinweg verläuft, kleiner als die Tiefe der Nut 41x, die nicht über den Fluideinlasskanal hinweg verläuft; die Tiefe der Nut 44x, die auf solche Weise vorgesehen ist, dass sie über den Lufteinlasskanal 44p hinweg verläuft, ist geringer als die Tiefe der Nut 44z, die nicht über den Fluideinlasskanal hinweg verläuft. Durch Einstellen der Tiefe der Nuten 41x, 41z, 44x 44z auf diese Weise kann ohne Weiteres eine Verdünnung der Einheitszelle erreicht werden, während trotzdem die angemessenen Dichtungsfunktion sichergestellt wird. Es sei klargestellt, dass der Stapelkörper 40 die tiefen Nuten 41y, 44y aufweist, und dass daher, da das Brennstoffzellenmodul der Erfindung den Stapelkörper 40 aufweist, eine angemessene Dichtungsfunktion selbst dann sichergestellt werden kann, wenn die Einheitszelle dünner gestaltet wird.
Die obige Beschreibung der vorliegenden Erfindung zeigt eine Ausführungsform, in der beispielsweise die Kühlmittelleitungen 1a, 4a und die tiefen Nuten 1y, 4y, in die der O-Ring 9 eingesetzt werden soll, um ein Ausströmen des Kühlmittels, das in den Kühlmittelkanälen 1a, 4a strömt, zu verhindern, in einer Fläche (die der Stapelstruktur 5, 5 nicht gegenüber liegt) der Separatoren 1, 4 vorgesehen sind, die, in Stapelungsrichtung gesehen, an den Enden des Stapelkörpers 10 vorgesehen sind. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Brennstoffzellenmodul der Erfindung kann eine Ausführungsform aufweisen, in der ein Kanal, durch den die Luft strömen kann, und eine Nut, die mit einem Dichtelement versehen werden soll, um ein Ausströmen von Luft, das durch den Kanal strömt, zu verhindern, in einer Fläche (die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt) des Separators vorgesehen sind, die, in Stapelungsrichtung gesehen, an den Enden des Stapelkörpers vorgesehen ist. Abgesehen davon kann das Brennstoffzellenmodul der Erfindung eine Ausführungsform aufweisen, in der ein Kanal, durch den Fluid strömen kann, und eine Nut, die mit einem Dichtelement versehen werden soll, die dem Kanal, durch den Fluid strömen kann, entspricht, nicht in einer Fläche (die der Stapelstruktur gegenüber liegt) des Separators vorgesehen sind, der, in Stapelungsrichtung gesehen, an den Enden des Stapelkörpers vorgesehen ist. Es sei klargestellt, dass zum Erreichen eines Aufbaus, der dünner sein und durch eine Verringerung von Platzverschwendung des Brennstoffzellenmoduls eine höhere Leistung erreichen kann, das Brennstoffzellenmodul vorzugsweise einen Aufbau aufweist, der in einer (der Stapelstruktur nicht gegenüber liegenden) Fläche des Separators, der, in Stapelungsrichtung betrachtet, am Ende des Stapelkörpers vorgesehen ist, einen Kanal, durch den das Kühlmittel strömen kann oder Luft strömen kann, und Nuten aufweist, um ein Dichtelement einzusetzen, um ein Ausströmen des Kühlmittels oder der Luft, die durch den Kanal strömt, zu verhinder. Darüber hinaus ist die Nut für das Dichtelement, die in einer Fläche vorgesehen ist, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, um ein preiswertes Brennstoffzellenmodul bereitzustellen, in dem das Dichtelement leicht ausgetauscht werden kann, vorzugsweise im Außenrand des Separators vorgesehen, der, in Stapelungsrichtung gesehen, am Ende des Stapelkörpers angeordnet ist. Für die Nut ist vorzugweise ein O-Ring vorgesehen.
Ferner zeigt die obige Beschreibung eine Ausführungsform, in der ein Dichtelement zur Verhinderung eines Ausströmens des Kühlmittels oder von Luft, das bzw. die durch den Kanal strömt, in einer Fläche vorgesehen ist, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, wenn ein Kanal für Kühlmittel oder Luft in einer (der Stapelstruktur nicht gegenüber liegenden) Fläche des Separators vorgesehen ist, der, in Stapelungsrichtung gesehen, am Ende des Stapelkörpers angeordnet ist. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Brennstoffzellenmodul der Erfindung kann auch so aufgebaut sein, dass das Dichtelement zum Verhindern eines Ausströmens des Kühlmittels oder der Luft, die durch den Kanal strömt, nicht in einer Fläche vorgesehen ist, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, auch wenn der Kanal für Kühlmittel oder Luft in einer einer (der Stapelstruktur nicht gegenüber liegenden) Fläche des Separators vorgesehen ist, der, in Stapelungsrichtung gesehen, am Ende des Stapelkörpers vorgesehen ist. In einem solchen Fall könnte man meinen, dass das Kühlmittel oder Luft aus dem Stapelkörper strömt; jedoch wird das Brennstoffzellenmodul der Erfindung, wie oben beschrieben, in einem Zustand verwendet, in dem der Stapelkörper in einem Gehäuse untergebracht ist, und daher wird angenommen, dass die Außenumgebung nicht beeinflusst wird, solange das Kühlmittel oder die Luft nicht aus dem Gehäuse strömen. Deswegen kann, wenn das Dichtelement zum Verhindern eines Ausströmens des Kühlmittels oder der Luft, das bzw. die in der einer (der Stapelstruktur nicht gegenüber liegenden) Fläche des Separators strömt, der, in Stapelungsrichtung gesehen, am Ende des Stapelkörpers angeordnet ist, nicht in einer Fläche angeordnet ist, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, die Dichtungsfunktion zur Verhinderung eines Ausströmens des Kühlmittels oder der Luft für das Gehäuse, das den Stapelkörper aufnimmt, bereitgestellt werden. Beispielsweise wollen wir einen Fall betrachten, in dem eine laminierte Mehrzahl der Stapelkörper in einem Gehäuse aufgenommen ist, indem eine laminierte Mehrzahl der Stapelkörper in einem ersten rechteckigen Gehäuse aufgenommen ist, dessen eine Fläche offen ist, und die Öffnung mit einem Plattenelement abgedeckt ist. In diesem Fall kann, wenn eine Flüssigkeitspackung, ein O-Ring und dergleichen in einer Fläche des Plattenelements vorgesehen ist, die dem Stapelkörper gegenüber liegt, durch Abdecken der Öffnung des ersten Gehäuses, welches die Mehrzahl an Stapelkörpern aufnimmt, mit dem Plattenelement, die Dichtungsfunktion für das Gehäuse, das den Stapelkörper aufnimmt, um ein Ausströmen des Kühlmittels oder der Luft zu verhindern, bereitgestellt werden. Dadurch, dass die Dichtungsfunktion auf das Gehäuse übertragen wird, das den Stapelkörper aufnimmt, entfällt die Notwendigkeit für die Bereitstellung eines Dichtelements zum Verhindern eines Ausströmens des Kühlmittels oder von Luft, das bzw. die durch den Kanal strömt, das in der Fläche (die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt) des Separators vorgesehen ist, der, in Stapelungsrichtung gesehen, am Ende des Stapelkörpers angeordnet ist, für die Fläche, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, und daher kann ein Brennstoffzellenmodul bereitgestellt werden, das in der Lage ist, den Herstellungsprozess zu vereinfachen.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3, 4: Separator
1a, 4a, 11, 12, 17: Kühlmittelkanal
1b, 3a: Wasserstoff-Strömungsweg
1x, 1y, 4x, 4y: tiefe Nut
2a, 4b: Luftströmungsweg
5: Stapelstruktur
6: Haftmittel
7, 13: Öffnung (Wasserstoff-Sammelleitung)
8, 9, 19, 20, 21: O-Ring (Dichtelement)
10: Stapelkörper
14, 15: Öffnung (Luftsammelleitung)
16, 18: Öffnung (Kühlmittel-Sammelleitung)
30: Stapelkörper
31, 32, 33, 34: Separator
31a, 34a: Kühlmittelleitung
31b, 33a: Wasserstoffgas-Strömungsweg
31x, 31y, 34x, 34y: tiefe Nut
32a, 34b: Luftströmungsweg
32x, 33x: Aussparungsabschnitt
40: Stapelkörper
41, 42, 43, 44: Separator
41a: Kühlmittelkanal
41b, 43a: Wasserstoffgas-Strömungsweg
41p: Wasserstoff-Einlasskanal (Fluideinlasskanal)
41x, 41z: Nut
41y: tiefe Nut
42a, 44b: Luftströmungsweg
42x, 43x: Fluideinlasskanal
44a: Kühlmittelkanal
44p: Lufteinlasskanal (Fluideinlasskanal)
44x, 44z: Nut
44y: tiefe Nut
45: Haftmittel
46, 47: Öffnung (Wasserstoff-Sammelleitung)
48, 49: Öffnung (Luftsammelleitung)
50, 51: Öffnung (Kühlmittel-Sammelleitung)
52, 53, 54, 55, 56: O-Ring (Dichtelement)
100: Brennstoffzellenmodul

Claims

Brennstoffzellenmodul, einen Stapelkörper aufweisend, der aufweist: eine Stapelstruktur, die aufweist: eine Elektrolytschicht und ein Paar Elektroden, die so vorgesehen sind, dass sie die Elektrolytschicht zwischen sich anordnen; und ein Paar Separatoren, die so angeordnet sind, dass sie die Stapelstruktur zwischen sich anordnen, wobei die Separatoren, in der Stapelungsrichtung gesehen, zumindest an einem Ende des Stapelköpers angeordnet sind, wobei die Separatoren, die an dem Ende des Stapelkörpers angeordnet sind, in einer Fläche, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, eine Nut aufweisen, die in der Lage ist, ein Dichtungselement aufzunehmen, und wobei die mindestens eine Nut eine tiefe Nut ist, deren Tiefe größer ist als die Dicke des Separators, der die Nut aufweist.
Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei die Höhe eines Vorsprungs, der in einer Fläche des Separators mit der tiefen Nut, die keine tiefe Nut aufweist, ausgebildet ist, größer ist als die Dicke der Stapelstruktur, die den Separator berührt.
Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, wobei mindestens einer der Separatoren, die keine tiefe Nut aufweisen, einen Aussparungsabschnitt aufweist, der in der Lage ist, zumindest einen Teil der Höhe des Vorsprungs aufzunehmen,
Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ausdehnung einer Fläche, deren Normale die Stapelungsrichtung ist, mindestens eines der Separatoren, die keine tiefe Nut aufweisen, kleiner ist als der Separator mit der tiefen Nut, wobei der kleinere Separator und der Separator mit der tiefen Nut so angeordnet sind, dass der Außenrand des Separators mit der tiefen Nut sich im Umfang des kleineren Separators befindet.
Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Separator mit der tiefen Nut einen Fluideinlasskanal aufweist, der durch ihn hindurch verläuft, und wobei die Nut, die an der Position vorgesehen ist, die den Fluideinlasskanal aufweist, flacher ist als mindestens eine der Nuten, die an den Positionen vorgesehen sind, die keinen Fluideinlasskanal aufweisen.
Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Fläche des Separators, der, in Stapelungsrichtung betrachtet, an einem Ende des Stapelkörpers angeordnet ist, die der Stapelstruktur nicht gegenüber liegt, einen Kanal, durch den ein Kühlmittel oder ein sauerstoffhaltiges Gas strömen kann, und eine Nut aufweist, die in der Lage ist, ein Dichtungselement zum Verhindern eines Ausströmens eines Kühlmittels oder eines sauerstoffhaltigen Gases, das durch den Kanal strömt, aufzunehmen, und wobei die Nut im Außenrand des Separators derart vorgesehen ist, dass die Nut um den Kanal, das Sammelrohr für die Luft, die zur Stapelstruktur geliefert werden soll, und das Sammelrohr für das Kühlmittel herum verläuft.