DE112013001654T5

DE112013001654T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112013001654T5
Application number: DE112013001654.0T
Authority: DE
Inventors: c/o Honda R&D Co. Ltd. Ishida Kentaro; c/o Honda R&D Co. Ltd. Goto Shuhei
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: CN104170147A; CA2866234A1; DE112013001654B4; CA2866234C; JP5824575B2; JPWO2013140855A1; WO2013140855A1; US20150072265A1; US9799898B2; CN104170147B

Abstract

Eine Brennstoffzelle (10) ist mit einer Stromerzeugungseinheit (12) versehen; die Stromerzeugungseinheit (12) ist versehen mit einem ersten Metallseparator (14), einer ersten Elektrolytmembran-Elektrodenstruktur (16a), einem zweiten Metallseparator (18), einer zweiten Elektrolytmembran-Elektrodenstruktur (16b) und einem dritten Metallseparator (20). Die erste Elekrolytmembran-Elektrodenstruktur (16a) ist am Außenumfang mit einem ersten Kunststoffrahmenelement (58) versehen, und das erste Kunststoffrahmenelement (58) ist versehen mit einem Einlasspufferabschnitt (62a), der außerhalb eines Stromerzeugungsbereichs angeordnet und mit einem ersten Oxydationsgasströmungsweg (26) verbunden ist, sowie einem Vorsprungsabschnitt (58a), der ein Teil eines Einlassverbindungsströmungswegs ist, der den Einlasspufferabschnitt (62a) mit einem Oxydationsgaseinlassverbindungsloch (22a) verbindet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung und von Metallseparatoren in einer Stapelrichtung gebildet ist. Die Membranelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden sowie einen zwischen den Elektroden eingefügten Elektrolyten. Jeder der Metallseparatoren hat ein Reaktionsgasfließfeld zum Zuführen eines Reaktionsgases entlang einer Elektrodenoberfläche sowie einen Reaktionsgaskanal zum Erlauben, dass das Reaktionsgas in der Stapelrichtung fließt. Ein Kunststoffrahmenelement ist an einem Außenumfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung vorgesehen.
Technischer Hintergrund
Zum Beispiel verwendet eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Polymerionenaustauschmembran als Festpolymerelektrolytmembran, und die Festpolymerelektrolytmembran ist zwischen eine Anode und eine Kathode eingefügt, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Membranelektrodenanordnung und ein Paar von die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmenden Separatoren bilden eine Stromerzeugungszelle (Zelleineinheit). In der Brennstoffzelle dieses Typs sind im Gebrauch gewöhnlich mehrere zehn bis mehrere hundert der Stromerzeugungszellen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels zusammengestapelt, der zum Beispiel in einem Fahrzeug angebracht wird.
In vielen Fällen verwendet die Brennstoffzelle dieses Typs eine sogenannte interne Verteilerstruktur zum Zuführen eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases, jeweils als Reaktionsgase, zur Anode und Kathode jeder der gestapelten Stromerzeugungszellen.
In dem internen Verteiler erstrecken sich Reaktionsgaszuführkanäle (Brenngaszuführkanal, Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal) sowie Reaktionsgasabführkanäle (Brenngasabführkanal, Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal) durch die Stromerzeugungszellen in der Stapelrichtung. Jede der Reaktionsgaszuführkanäle ist mit dem Einlass eines Reaktionsgasfließfelds (Brenngasfließfeld, Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld) verbunden, um das Reaktionsgas entlang der Elektrodenoberfläche zuzuführen, und jeder der Reaktionsgasabführkanäle ist mit dem Auslass des Reaktionsgasfließfelds verbunden.
In diesem Fall sind der Reaktionsgaszuführkanal und der Reaktionsgasabführkanal mit dem Reaktionsgasfließfeld durch Verbindungskanäle verbunden, welche parallele Nuten oder dergleichen enthalten, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas glattgängig und gleichmäßig fließt. Um in dieser Hinsicht das Eindringen von Dichtungselementen in die Verbindungskanäle zu verhindern, sind zum Beispiel Metallplatten vorgesehen, um die Verbindungskanäle zu überdecken. Da jedoch gesonderte Metallplatten verwendet werden, ist die Struktur kompliziert, und daher wird die Anzahl von Herstellungsschritten unwirtschaftlich erhöht.
Als Technik, die auf dieses Problem abgestellt ist, ist zum Beispiel eine Brennstoffzelle bekannt, die im japanischen Patent Nr. 4634933 offenbart ist. In der Brennstoffzelle sind eine Membranelektrodenanordnung und Separatoren zusammengestapelt. Die Membranelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden und einen zwischen den Elektroden eingefügten Elektrolyten. Reaktionsgasfließfelder sind zwischen der Elektrolytelektrodenanordnung und den Separatoren ausgebildet, um Reaktionsgase entlang den Elektrodenoberflächen zuzuführen, und Reaktionsgaskanäle, die mit den Reaktionsgasfließfeldern verbunden sind, erstrecken sich durch die Brennstoffzelle in der Stapelrichtung.
Ferner haben die Separatoren Verbindungskanäle, welche die Reaktionsgaskanäle mit den Reaktionsgasfließfeldern verbinden, und zumindest eine von Gasdiffusionsschichten der Elektrolytelektrodenanordnung enthält einen Überlappungsabschnitt, der mit dem Verbindungskanal überlappt, so dass der Überlappungsabschnitt dicht an dem Separator angebracht ist, um die Verbindungskanäle abzudichten.
Zusammenfassung der Erfindung
Allgemein ist die Gasdiffusionsschicht der Elektrolytelektrodenanordnung aus Kohlepapier oder dergleichen hergestellt. Wenn daher der Verbindungskanal durch die Gasdiffusionsschicht abgedichtet wird, könnte in den Verbindungskanal unerwünscht eine Verstopfung auftreten, da sich die Gasdiffusionsschicht selbst tendenziell leicht verformt.
Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung des Problems dieser Art gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einer einfachen und wirtschaftlichen Struktur anzugeben, worin Verbindungskanäle geeignet abgedichtet werden, ohne dass eine etwaige Verstopfung auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle angegeben, welche durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung und von Metallseparatoren in einer Stapelrichtung gebildet ist. Die Membranelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden sowie einen zwischen die Elektroden eingefügten Elektrolyten. Jeder der Metallseparatoren hat ein Reaktionsgasfließfeld zum Zuführen eines Reaktionsgases entlang einer Elektrodenoberfläche, sowie einen Reaktionsgaskanal zum Erlauben, dass das Reaktionsgas in der Stapelrichtung fließt. Ein Kunststoffrahmenelement ist an einem Außenumfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung vorgesehen.
In der Brennstoffzelle ist die Außenform des Kunststoffelements derart konfiguriert, dass das Kunststoffrahmenelement relativ zum am Außenumfang von jedem der Metallseparatoren vorgesehenen Reaktionsgaskanal einwärts angeordnet ist. Das Kunststoffrahmenelement hat einen Puffer, der außerhalb der Stromerzeugungsfläche angeordnet ist und mit dem Reaktionsgasfließfeld verbunden ist, und einen Teil eines Verbindungskanals, der den Puffer und den Reaktionsgaskanal verbindet.
In der vorliegenden Erfindung ist das Kunststoffrahmenelement am Außenumfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung vorgesehen, und das Kunststoffrahmenelement hat den Puffer und das Teil des Verbindungskanals. Da in dieser Struktur das Kunststoffrahmenelement verwendet wird, das eine relativ hohe Steifigkeit hat, wird das Kunststoffrahmenelement nicht verformt. Daher ist es mit der einfachen und wirtschaftlichen Struktur möglich, das Auftreten einer Verstopfung in dem Verbindungskanal zuverlässig zu verhindern, während eine gewünschte Dichtleistung erzielt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten einer Stromerzeugungseinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die die Stromerzeugungseinheit entlang Linie II-II in 1 zeigt;
3 ist eine Querschnittsansicht, die die Stromerzeugungseinheit entlang Linie III-III in 1 zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht, die die Stromerzeugungseinheit entlang Linie IV-IV in 1 zeigt;
5 ist eine Querschnittsansicht, die die Stromerzeugungseinheit entlang Linie V-V in 1 zeigt;
6 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Metallseparator in der Stromerzeugungseinheit zeigt;
7 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators der Stromerzeugungseinheit zeigt;
8 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche des zweiten Metallseparators zeigt;
9 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche eines dritten Metallseparators der Stromerzeugungseinheit zeigt;
10 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche des dritten Metallseparators zeigt;
11 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche einer ersten Membranelektrodenanordnung der Stromerzeugungseinheit zeigt;
12 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche der ersten Membranelektrodenanordnung zeigt;
13 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche einer zweiten Membranelektrodenanordnung der Stromerzeugungseinheit zeigt;
14 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche der zweiten Membranelektrodenanordnung zeigt;
15 ist eine Querschnittsansicht, die den ersten Metallseparator entlang Linie XV-XV in 6 zeigt;
16 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten einer Stromerzeugungseinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
17 ist eine Querschnittsansicht, die die Stromerzeugungseinheit zeigt.
Beschreibung der Ausführungen
Wie in den 1 bis 5 gezeigt, enthält eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Stromerzeugungseinheit 12. Eine Mehrzahl der Stromerzeugungseinheiten 12 sind in mit Pfeil A angegebener horizontaler Richtung, oder in mit Pfeil C angegebener vertikaler Richtung zusammengestapelt. Jede der Stromerzeugungseinheiten 12 enthält einen ersten Metallseparator 14, eine erste Metallelektrodenanordnung 16a, einen zweiten Metallseparator 18, eine zweite Membranelektrodenanordnung 16b sowie einen dritten Metallseparator 20.
Der erste Metallseparator 14, der zweite Metallseparator 18 und der dritte Metallseparator 20 sind zum Beispiel aus seitlich langgestreckten Metallblechen wie etwa Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, galvanisierten Stahlblechen oder Stahlblechen mit durch Oberflächenbehandlung antikorrosiven Oberflächen hergestellt. Jeder des ersten Metallseparators 14, des zweiten Metallseparators 18 und des dritten Metallseparators 20 hat eine rechteckige ebene Oberfläche und wird gebildet, indem ein dünnes Metallblech durch Pressformung gewellt wird, so dass es im Querschnitt eine gewellte Form (Rippen und Vertiefungen) hat, und an der Oberfläche eine wellige oder Serpentinenform.
Wie in 1 gezeigt, sind am einen Ende der Stromerzeugungseinheit 12 in der mit Pfeil B angegebenen Längsseitenrichtung, insbesondere am einen Ende (Außenende) von jedem des ersten Metallseparators 14, des zweiten Metallseparators 18 und des dritten Metallseparators 20 in der Längsseitenrichtung, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas sowie ein Brenngasabführkanal 24b zum Abführen von Brenngas wie etwa wasserstoffhaltigem Gas vorgesehen. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und der Brenngasabführkanal 24b erstrecken sich durch die Stromerzeugungseinheit 12 in der mit Pfeil A angegebenen Richtung.
Am anderen Ende (Außenende) der Stromerzeugungseinheit (12) in der mit Pfeil B angegebenen Längsseitenrichtung sind ein Brenngasabführkanal 24a zum Zuführen des Brenngases sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen. Der Brenngaszuführkanal 24a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b erstrecken sich durch die Stromerzeugungseinheit 12 in der mit Pfeil A angegebenen Richtung.
An beiden Enden der Stromerzeugungseinheit 12 in der mit Pfeil C angegebenen kurzen Seitenrichtung sind ein Paar von Kühlmittelzuführkanälen 25a zum Zuführen von Kühlmittel an einer Seite benachbart dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a vorgesehen. Die Kühlmittelzuführkanäle 25a erstrecken sich durch die Stromerzeugungseinheit 12 in der mit Pfeil A angegebenen Richtung. An beiden Enden der Stromerzeugungseinheit 12 in der kurzen Seitenrichtung sind ein Paar von Kühlmittelabführkanälen 25b zum Abführen des Kühlmittels an der anderen Seite benachbart dem Brenngaszuführkanal 24a vorgesehen.
Wie in 6 gezeigt, hat der erste Metallseparator 14, auf seiner zur ersten Membranelektrodenanordnung 16a weisenden Oberfläche 14a, ein erstes Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26. Das erste Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal verbunden.
Das erste Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26 enthält eine Mehrzahl von welligen Fließnuten (oder geraden Fließnuten) 26a, die sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken. Eine Mehrzahl von Einlassnaben 28a sind benachbart dem Einlass des ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfelds 26 vorgesehen, und eine Mehrzahl von Auslassnaben 28b sind benachbart dem Auslass des ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfelds 26 vorgesehen.
Eine Mehrzahl von Einlassverbindungsnuten 30a, die als Teil eines Brückenabschnitts ausgebildet sind, sind zwischen den Einlassnaben 28a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a ausgebildet, und eine Mehrzahl von Auslassverbindungsnuten 30b, die als Teil eines Brückenabschnitts ausgebildet sind, sind zwischen den Auslassnaben 28b und den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b ausgebildet.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Kühlmittelfließfeld 32 auf einer Oberfläche 14b des ersten Metallseparators 14 ausgebildet. Das Kühlmittelfließfeld 32 ist mit dem Paar von Kühlmittelzuführkanälen 25a und dem Paar von Kühlmittelabführkanälen 25b verbunden. Das Kühlmittelfließfeld 32 wird gebildet, indem die Rückseite des ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfelds 26 und die Rückseite eines zweiten Brenngasfließfelds 42 gestapelt werden, wie später beschrieben wird.
Wie in 7 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 18 auf seiner zur ersten Membranelektrodenanordnung 16a weisenden Oberfläche 18a ein erstes Brenngasfließfeld 34. Das erste Brenngasfließfeld 34 ist mit dem Brenngaszuführkanal 24a und dem Brenngasabführkanal 24b verbunden. Das erste Brenngasfließfeld 14 enthält eine Mehrzahl von welligen Fließnuten (oder geraden Fließnuten) 34a, die sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken. Eine Mehrzahl von Zuführlöchern 36a sind benachbart dem Brenngaszuführkanal 24a ausgebildet, und eine Mehrzahl von Abgführlöchern 36b sind benachbart dem Brenngasabführkanal 24b ausgebildet.
Wie in 8 gezeigt, hat der zweite Metallseparator 18 auf seiner zur zweiten Membranelektrodenanordnung 16b weisenden Oberfläche 18b ein zweites Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38. Das zweite Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b verbunden. Das zweite Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 enthält wellige Fließnuten (oder gerade Fließnuten) 38a, die sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken. Eine Mehrzahl von Einlassverbindungsnuten 40a sind benachbart dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a ausgebildet, und eine Mehrzahl von Auslassverbindungsnuten 40b sind benachbart dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b ausgebildet.
Wie in 9 gezeigt, hat der dritte Metallseparator 20 auf seiner zur zweiten Membranelektrodenanordnung 16b weisenden Oberfläche ein zweites Brenngasfließfeld 42. Das zweite Brenngasfließfeld 42 ist mit dem Brenngaszuführkanal 24a und dem Brenngasabführkanal 24b verbunden. Das zweite Brenngasfließfeld 42 enthält eine Mehrzahl von welligen Fließnuten (oder geraden Fließnuten) 42a, die sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken.
Eine Mehrzahl von Zuführlöchern 44a sind benachbart dem Brenngaszuführkanal 24a ausgebildet, und eine Mehrzahl von Abführlöchern 44b sind benachbart dem Brenngasabführkanal 24b ausgebildet. Wie in 3 gezeigt, sind die Zuführlöcher 44a relativ zu den Zuführlöchern 36a des zweiten Metallseparators 18 einwärts angeordnet (näher zum Brenngasfließfeld hin), und wie in 4 gezeigt, sind die Abführlöcher 44b relativ zu den Abführlöchern 36b des zweiten Metallseparators 18 einwärts angeordnet (näher zum Brenngasfließfeld hin).
Wie in 10 gezeigt, ist ein Teil des Kühlmittelfließfelds 32, das die Rückseite des zweiten Brenngasfließfelds 42 ist, auf einer Oberfläche 20b des dritten Metallseparators 20 ausgebildet. Die Oberfläche 20b des dritten Metallseparators 20 ist auf die Oberfläche 14b des ersten Metallseparators 14 benachbart dem dritten Metallseparator 20 gestapelt, um hierdurch das Kühlmittelfließfeld 32 zwischen dem dritten Metallseparator 20 und dem ersten Metallseparator 14 zu bilden.
Wie in 1 gezeigt, ist ein erstes Dichtungselement 46 integriert mit den Oberflächen 14a, 14b des ersten Metallseparators 14 ausgebildet, um das Außenumfangsende des ersten Metallseparators 14 herum. Ein zweites Dichtungselement 48 ist integriert mit den Oberflächen 18a, 18b des zweiten Metallseparators 18 ausgebildet, um das Außenumfangsende des zweiten Metallseparators 18 herum. Ein drittes Dichtungselement 50 ist integriert mit den Oberflächen 20a, 20b des dritten Metallseparators 20 ausgebildet, um das Außenumfangsende des dritten Metallseparators 20 herum.
Jedes vom ersten Dichtungselement 46, zweiten Dichtungselement 48 und dritten Dichtungselement 50 ist hergestellt aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial oder Packungsmaterial wie etwa EPDM, NBR, Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi, Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi oder Acrylgummi.
Wie in 6 gezeigt, enthält das erste Dichtungselement 46 eine erste Rippendichtung 46a auf der Oberfläche 14a des ersten Metallseparators 14. Die erste Rippendichtung 46a umgibt den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b und das erste Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26, während erlaubt wird, dass der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b mit dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26 an dessen Außenenden verbunden werden. Wie in 1 gezeigt, enthält das erste Dichtungselement 46 ferner eine zweite Rippendichtung 46b an der Oberfläche 14b des ersten Metallseparators 14. Die zweite Rippendichtung 46b umgibt die Kühlmittelzuführkanäle 25a, die Kühlmittelabführkanäle 25b und das Kühlmittelfließfeld 32, während erlaubt wird, dass die Kühlmittelzuführkanäle 25a und die Kühlmittelabführkanäle 25b mit dem Kühlmittelfließfeld 32 an dessen Außenenden verbunden werden.
Wie in 7 gezeigt, enthält das zweite Dichtungselement 48 eine erste Rippendichtung 48a auf der Oberfläche 18a des zweiten Metallseparators 18. Die erste Rippendichtung 48a umgibt die Zuführlöcher 36a, die Abführlöcher 36b und das erste Brenngasfließfeld 34, während erlaubt wird, dass die Zuführlöcher 36a und die Abführlöcher 36b mit dem ersten Brenngasfließfeld 34 verbunden werden.
Wie in 8 gezeigt, enthält das zweite Dichtungselement 48 ferner eine zweite Rippendichtung 48b auf der Oberfläche 18b des zweiten Metallseparators 18. Die zweite Rippendichtung 48b umgibt den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b und das zweite Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38, während erlaubt wird, dass der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b mit dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 an dessen Außenenden verbunden werden.
Wie in 9 gezeigt, enthält das dritte Dichtungselement 50 eine erste Rippendichtung 50a auf der Oberfläche 20a des dritten Metallseparators 20. Die erste Rippendichtung 50a umgibt die Zuführlöcher 44a, die Abführlöcher 44b und das zweite Brenngasfließfeld 42, während erlaubt wird, dass die Zuführlöcher 44a und die Abführlöcher 44b mit dem zweiten Brenngasfließfeld 42 verbunden werden.
Wie in 10 gezeigt, enthält das dritte Dichtungselement 50 ferner eine zweite Rippendichtung 50b auf der Oberfläche 20b des dritten Metallseparators 20. Die zweite Rippendichtung 50b umgibt die Kühlmittelzuführkanäle 25a, die Kühlmittelabführkanäle 25b und das Kühlmittelfließfeld 32, während erlaubt wird, dass die Kühlmittelzuführkanäle 25a und die Kühlmittelabführkanäle 25b mit dem Kühlmittelfließfeld 32 an dessen Außenenden verbunden werden.
Wie in 2 gezeigt, enthält jede der ersten Membranelektrodenanordnung 16a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b eine Festpolymerelektrolytmembran 52 sowie eine Kathode 54 und eine Anode 56, die die Festpolymerelektrolytmembran 52 zwischen sich aufnehmen. Die Festpolymerelektrolytmembran 52 wird gebildet, indem zum Beispiel eine dünne Perfluorsulfonsäuremembran mit Wasser imprägniert wird. Die Oberflächenausdehnung der Kathode 54 ist kleiner als die Oberflächenausdehnungen der Anode 56 und der Festpolymerelektrolytmembran 52, um eine MEA vom Stufentyp zu bilden, deren Bauteile unterschiedliche Größen haben. Es sollte angemerkt werden, dass die Kathode 54, die Anode 56 und die Festpolymerelektrolytmembran 52 auch die gleiche Oberflächenausdehnung haben können. Ferner kann die Oberflächenausdehnung der Anode 56 auch kleiner sein als die Oberflächenausdehnungen der Kathode 54 und der Festpolymerelektrolytmembran 52.
Jede der Kathode 54 und der Anode 56 hat eine Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt), wie etwa Kohlepapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht gezeigt) aus Platinlegierung, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 54 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 56 sind jeweils auf beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembran 52 ausgebildet.
In der ersten Membranelektrodenanordnung 16a ist ein erstes Kunststoffrahmenelement 58 integriert mit dem Außenumfangsrandabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran 52 ausgebildet, außerhalb des Anschlussendabschnitts der Kathode 54, zum Beispiel durch Spritzguss. In der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b ist ein zweites Kunststoffrahmenelement 60 integriert mit dem Außenumfangsrandabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran 52 ausgebildet, außerhalb des Anschlussendabschnitts der Kathode 54, zum Beispiel durch Spritzguss.
Die Außenformen des ersten Kunststoffrahmenelements 58 und des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 sind derart konfiguriert, dass das erste Kunststoffrahmenelement 58 und das zweite Kunststoffrahmenelement 60 relativ zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a, dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b, dem Brenngaszuführkanal 24a, dem Brenngasabführkanal 24b, den Kühlmittelzuführkanälen 25a und den Kühlmittelabführkanälen 25b einwärts angeordnet sind (einwärts in der mit Pfeil B angegebenen Richtung und der mit Pfeil C angegebenen Richtung).
Als das Harzmaterial des ersten Kunststoffrahmenelements 58 und des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 wird zum Beispiel, zusätzlich zu Mehrzweckkunststoff, zum Beispiel Konstruktionskunststoff, Superkonstruktionskunststoff oder dergleichen verwendet.
Wie in den 11 und 12 gezeigt, enthält das erste Kunststoffrahmenelement 58 Verlängerungen 58a, 58b, die jeweils, an beiden Enden davon in der mit Pfeil B angegebenen Längsrichtung, zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b hin vorstehen, und enthält ferner Verlängerungen 58c, 58d, die jeweils, an den beiden Enden, zu dem Brenngaszuführkanal 24a und dem Brenngasabführkanal 24b hin vorstehen.
Wie in 11 gezeigt, ist, auf einer Oberfläche des ersten Kunststoffrahmenelements 58 an einer Seite, wo die Kathode 54 vorgesehen ist, ein Einlasspuffer 62a zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und dem Einlass des ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfelds 26 vorgesehen, und ein Auslasspuffer 62b ist zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b und dem Auslass des ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfelds 26 vorgesehen.
Der Einlasspuffer 62a enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 64a, die integriert mit dem ersten Kunststoffrahmenelement 58 ausgebildet sind, wobei zwischen den Rippen 64a Einlassführungsnuten 66a ausgebildet sind. Der Auslasspuffer 62b enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 64b, die integriert mit dem ersten Kunststoffrahmenelement 56 ausgebildet sind, wobei Auslassführungsnuten 66b zwischen den Rippen 64b ausgebildet sind. Eine Mehrzahl von Naben 63a, 63b sind jeweils in dem Einlasspuffer 62a und dem Auslasspuffer 62b ausgebildet. Der Einlasspuffer 62a und der Auslasspuffer 62b können auch nur die linearen Rippen oder nur die Naben enthalten.
Wie in 12 gezeigt, ist, auf der Oberfläche des ersten Kunststoffrahmenelements 58 an einer Seite, wo die Anode 56 vorgesehen ist, ein Einlasspuffer 68a zwischen dem Brenngaszuführkanal 24a und dem ersten Brenngasfließfeld 34 vorgesehen, und ein Auslasspuffer 68b ist zwischen dem Brenngasabführkanal 24b und dem ersten Brenngasfließfeld 34 vorgesehen.
Der Einlasspuffer 68a enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 70a, und ein Einlassführungsnuten 72a sind zwischen den Rippen 70a ausgebildet. Der Auslasspuffer 68b enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 70b, und Auslassführungsnuten 72b sind zwischen den Rippen 70b ausgebildet. Eine Mehrzahl von Naben 69a, 69b sind jeweils in dem Einlasspuffer 68a und dem Auslasspuffer 68b ausgebildet. Der Einlasspuffer 68a und der Auslasspuffer 68b können auch nur die linearen Rippen oder nur die Naben enthalten.
Wie in den 13 und 14 gezeigt, enthält das zweite Kunststoffrahmenelement 60 der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b Verlängerungen 60a, 60b, 60c und 60d, die jeweils zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a, dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b, dem Brenngaszuführkanal 24a und dem Brenngasabführkanal 24b vorstehen.
Wie in 13 gezeigt, ist auf einer Oberfläche des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 an einer Seite, wo die Kathode 54 vorgesehen ist, ein Einlasspuffer 74a zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und dem Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 vorgesehen, und ein Auslasspuffer 74b ist zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b und dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 vorgesehen.
Der Einlasspuffer 74a enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 76a, und ein Einlassführungsnuten 78a sind zwischen den Rippen 76a ausgebildet. Der Auslasspuffer 74b enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 76b, und Auslassführungsnuten 78b sind zwischen den Rippen 76b ausgebildet. Eine Mehrzahl von Naben 75a, 75b sind jeweils in dem Einlasspuffer 74a und dem Auslasspuffer 74b ausgebildet.
Wie in 14 gezeigt, ist auf einer Oberfläche des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 an einer Seite, wo die Anode 56 vorgesehen ist, ein Einlasspuffer 80a zwischen dem Brenngaszuführkanal 24a und dem zweiten Brenngasfließfeld 42 vorgesehen, und ein Auslasspuffer 80b ist zwischen dem Brenngasabführkanal 24b und dem zweiten Brenngasfließfeld 42 vorgesehen.
Der Einlasspuffer 80a enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 82a, und Einlassführungsnuten 84a sind zwischen den Rippen 82a ausgebildet. Der Auslasspuffer 80b enthält eine Mehrzahl von linearen Rippen 82b, und Auslassführungsnuten 84b sind zwischen den Rippen 82b ausgebildet. Eine Mehrzahl von Naben 81a, 81b sind jeweils in dem Einlasspuffer 80a und dem Auslasspuffer 80b ausgebildet.
Wie in 3 gezeigt, sind der Brenngaszuführkanal 24a und das erste Brenngasfließfeld 34 durch einen Einlassverbindungskanal 86a und den Einlasspuffer 68a verbunden, und der Brenngaszuführkanal 24a und das zweite Brenngasfließfeld 42 sind durch einen Einlassverbindungskanal 88a und den Einlasspuffer 80a verbunden.
Der Einlassverbindungskanal 86a ist zwischen dem Brenngaszuführkanal 24a und dem Einlasspuffer 68a ausgebildet. Der Einlassverbindungskanal 86a enthält einen ersten Kanal 90a, der zwischen dem zweiten Metallseparator 18 und dem dritten Metallseparator 20 ausgebildet ist, die einander benachbart sind, die Zuführlöcher 36a, die in dem zweiten Metallseparator 18 ausgebildet sind, sowie einen zweiten Kanal 92a, der zwischen dem zweiten Metallseparator 18 und der Verlängerung 58c des ersten Kunststoffrahmenelements 58 ausgebildet ist. Ein Ende des ersten Kanals 90a ist mit dem Brenngaszuführkanal 24a verbunden, und das andere Ende des ersten Kanals 90a ist mit den Zuführlöchern 36a verbunden. Ein Ende des zweiten Kanals 92a ist mit den Zuführlöchern 36a verbunden, und das andere Ende des zweiten Kanals 92a ist mit dem Einlasspuffer 68a verbunden.
Ähnlich enthält der Einlassverbindungskanal 88a einen ersten Kanal 94a, der zwischen dem dritten Metallseparator 20 und dem ersten Metallseparator 14 ausgebildet ist, die einander benachbart sind, die Zuführlöcher 44a, die in dem dritten Metallseparator 20 ausgebildet sind, sowie einen zweiten Kanal 96a, der zwischen dem dritten Metallseparator 20 und der Verlängerung 60c des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 ausgebildet ist. Ein Ende des ersten Kanals 94a ist mit dem ersten Brenngaszuführkanal 24a verbunden, und das andere Ende des ersten Kanals 94a ist mit den Zuführlöchern 44a verbunden. Ein Ende des zweiten Kanals 96a ist mit den Zuführlöchern 44a verbunden, und das andere Ende des zweiten Kanals 96a ist mit dem Einlasspuffer 80a verbunden.
Wie in 4 gezeigt, sind der Brenngasabführkanal 24b und der Auslasspuffer 68b durch einen Auslassverbindungskanal 86b verbunden, und der Brenngasabführkanal 24b und der Auslasspuffer 80b sind durch einen Auslassverbindungskanal 88b verbunden. Der Auslassverbindungskanal 86b enthält einen ersten Kanal 90b, der zwischen dem zweiten Metallseparator 18 und dem dritten Metallseparator 20 ausgebildet ist, die Abführlöcher 36b, die in dem zweiten Metallseparator 18 ausgebildet sind, sowie einen zweiten Kanal 92b, der zwischen dem zweiten Metallseparator 18 und der Verlängerung 58d des ersten Kunststoffrahmenelements 58 ausgebildet ist.
Der Auslassverbindungskanal 88b enthält einen ersten Kanal 94b, der zwischen dem dritten Metallseparator 20 und dem benachbarten ersten Metallseparator 14 ausgebildet ist, die Abführlöcher 44b, die in dem dritten Metallseparator 20 ausgebildet sind, sowie einen zweiten Kanal 36b, der zwischen dem dritten Metallseparator 20 und der Verlängerung 60d des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 ausgebildet ist.
Wie in 5 gezeigt, sind der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und der Einlasspuffer 62a durch einen Einlassverbindungskanal 98a verbunden, und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a und der Einlasspuffer 74a sind durch einen Einlassverbindungskanal 100a verbunden.
Der Einlassverbindungskanal 98a hat eine gewellte Form (s. 15). Der Einlassverbindungskanal 98a enthält einen ersten Kanal 102a, der zwischen dem ersten Metallseparator 14 und dem zweiten Metallseparator 18 ausgebildet ist, sowie einen zweiten Kanal 104a, der zwischen dem ersten Metallseparator 14 und der Verlängerung 15a des ersten Kunststoffrahmenelements 58 ausgebildet ist. Ein Ende des ersten Kanals 102a ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a verbunden. Ein Ende des zweiten Kanals 104a ist mit dem ersten Kanal 102a verbunden, und das andere Ende des zweiten Kanals 104a ist mit dem Einlasspuffer 62a verbunden.
Der Einlassverbindungskanal 100a enthält einen ersten Kanal 106a, der zwischen dem zweiten Metallseparator 18 und dem dritten Metallseparator 20 ausgebildet ist, sowie einen zweiten Kanal 108a, der zwischen dem zweiten Metallseparator 18 und der Verlängerung 60a des zweiten Kunststoffrahmenelements 60 ausgebildet ist. Ein Ende des ersten Kanals 106a ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a verbunden. Ein Ende des zweiten Kanals 108a ist mit dem ersten Kanal 106a verbunden, und das andere Ende des zweiten Kanals 108a ist mit dem Einlasspuffer 74a verbunden.
Ähnlich sind Auslassverbindungskanäle 98b, 100b zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b und den Auslasspuffern 62b, 74b ausgebildet, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
Wenn die Stromerzeugungseinheiten 12 zusammengestapelt sind, wird das Kühlmittelfließfeld 32 zwischen dem ersten Metallseparator 14 von einer der benachbarten Stromerzeugungseinheiten 12 und dem dritten Metallseparator 20 der anderen der benachbarten Stromerzeugungseinheiten 12 gebildet.
Nachfolgend wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
Zuerst wird, wie in 1 gezeigt, sauerstoffhaltiges Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a zugeführt, und wird Brenngas wie etwa wasserstoffhaltiges Gas dem Brenngaszuführkanal 24a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglycol oder Öl, den Kühlmittelzuführkanälen 25a zugeführt.
Somit fließt, wie in 5 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 22a in die Einlassverbindungskanäle 98a, 100a. Nachdem das sauerstoffhaltige Gas in den Einlassverbindungskanal 98a geflossen ist, fließt das sauerstoffhaltige Gas durch den Einlasspuffer 62, und dann wird das sauerstoffhaltige Gas dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26 des ersten Metallseparators 14 zugeführt. Ferner fließt das sauerstoffhaltige Gas in den Einlassverbindungskanal 100a, fließt das sauerstoffhaltige Gas durch den Einlasspuffer 74a und wird das sauerstoffhaltige Gas dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 des zweiten Metallseparators 18 zugeführt.
Wie in den 1, 6 und 8 gezeigt, fließt das sauerstoffhaltige Gas entlang dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 26 in der mit Pfeil B angegebenen horizontalen Richtung, und das sauerstoffhaltige Gas wird der Kathode 54 der ersten Membranelektrodenanordnung 16a zugeführt. Ferner fließt das sauerstoffhaltige Gas entlang dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gasfließfeld 38 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, und wird das sauerstoffhaltige Gas der Kathode 54 der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b zugeführt.
Unterdessen fließt, wie in 3 gezeigt, das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 24a in die Einlassverbindungskanäle 86a, 88a. In dem Einlassverbindungskanal 86a fließt das Brenngas von dem ersten Kanal 90a durch die Zuführlöcher 36a zu dem zweiten Kanal 92a, und dann wird das Brenngas dem Einlasspuffer 68a zugeführt. Das Brenngas fließt durch den Einlasspuffer 68a, und das Brenngas wird dem ersten Brenngasfließfeld 34 des zweiten Metallseparators 18 zugeführt.
In dem Einlassverbindungskanal 88a fließt das Brenngas von dem ersten Kanal 94a durch die Zuführlöcher 44a zu dem zweiten Kanal 96a, und dann wird das Brenngas dem Einlasspuffer 80a zugeführt. Das Brenngas fließt durch den Einlasspuffer 80a, und das Brenngas wird dem zweiten Brenngasfließfeld 42 des dritten Metallseparators 20 zugeführt.
Wie in den 1, 7 und 9 gezeigt, fließt das Brenngas entlang dem ersten Brenngasfließfeld 34 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, und das Brenngas wird der Anode 56 der ersten Membranelektrodenanordnung 16a zugeführt. Ferner fließt das Brenngas entlang dem zweiten Brenngasfließfeld 42 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, und das Brenngas wird der Anode 56 der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b zugeführt.
Somit werden, in jeder der ersten Membranelektrodenanordnung 16a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b, das der Kathode 54 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 56 zugeführte Brenngas in elektrochemischen Reaktionen an Kathalysatorschichten der Kathode 54 und der Anode 56 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Dann fließt das sauerstoffhaltige Gas, an den Kathoden 54 der ersten Membranelektrodenanordnung 16a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b verbraucht worden ist, von den Auslasspuffern 62b, 74b durch die Auslassverbindungskanäle, und das sauerstoffhaltige Gas wird in den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 22b abgegeben.
Wie in 4 gezeigt, wird das Brenngas, das an den Anoden 56 der ersten Membranelektrodenanordnung 16a und der zweiten Membranelektrodenanordnung 16b verbraucht worden ist, von den Auslasspuffern 68b, 80b in die Auslassverbindungskanäle 86b, 88b. In dem Auslassverbindungskanal 86b fließt das Brenngas von dem zweiten Kanal 92b durch die Abführlöcher 36b zu dem ersten Kanal 90b. Dann wird das Brenngas in den Brenngasabführkanal 24b abgegeben.
In dem Auslassverbindungskanal 88b fließt das Brenngas von dem zweiten Kanal 96b durch die Abführlöcher 44b zu dem ersten Kanal 94b. Dann wird das Brenngas in den Brenngasabführkanal 24b abgegeben.
Unterdessen fließt, wie in 1 gezeigt, das Kühlmittel, das dem Paar von Kühlmittelzuführkanälen 25a zugeführt wird, in das Kühlmittelfließfeld 32. Das Kühlmittel von jedem der Kühlmittelzuführkanäle 25a wird dem Kühlmittelfließfeld 32 zugeführt. Das Kühlmittel fließt zeitweilig einwärts in der mit Pfeil C angegebenen Richtung, und dann bewegt sich das Kühlmittel in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, um die erste Membranelektrodenanordnung 16a und die zweite Membranelektrodenanordnung 16b zu kühlen. Nachdem sich das Kühlmittel in der mit Pfeil C angegebenen Richtung auswärts bewegt hat, wird das Kühlmittel in das Paar von Kühlmittelabführkanälen 25b abgegeben.
In der ersten Ausführung ist zum Beispiel, wie in den 5 und 11 gezeigt, in der ersten Membranelektrodenanordnung 16a, das erste Kunststoffrahmenelement 58 am Außenumfangsabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran 52 vorgesehen. Die Festigkeit und Steifigkeit des ersten Kunststoffrahmenelements 58 sind ziemlich hoch, im Vergleich zu der Festpolymerelektrolytmembran 52 und der Gasdiffusionsschicht, die aus Kohlepapier hergestellt sind.
Ferner sind, wie in 11 gezeigt, der Einlasspuffer 61a, der Auslasspuffer 62b und die Verlängerungen 58a, 58b, als Teile des Einlassverbindungskanals 98a und des Auslassverbindungskanals 98b, auf der Oberfläche des ersten Kunststoffrahmenelements 58 an einer Seite vorgesehen, wo die Kathode 54 vorgesehen ist. Wenn in der Struktur, wie in 5 gezeigt, die Verlängerung 58a des ersten Kunststoffrahmenelements 58 die Oberfläche zwischen Einlassverbindungsnuten 30a des ersten Metallseparators 14 kontaktiert, um den Brückenabschnitt zu bilden, wird die steife und dicke Verlängerung 58a des ersten Kunststoffrahmenelements 58 nicht so verformt, dass sie in die Einlassverbindungsnuten 30a eindringt.
Dementsprechend ist es mit der einfachen und wirtschaftlichen Struktur möglich, auf zuverlässige Weise zu verhindern, dass die Einlassverbindungsnuten 30a verschlossen werden, während eine gewünschte Dichtleistung erzielt wird.
Da ferner der Einlasspuffer 62a in dem ersten Kunststoffrahmenelement 58 ausgebildet werden kann, wird die Struktur des ersten Metallseparators 14 effizient und wirtschaftlich vereinfacht.
Auch in dem Auslasspuffer 62b und der Verlängerung 58b erhält man die gleichen Vorteile wie oben beschrieben. Ferner erhält man auch in dem zweiten Kunststoffrahmenelement 60 die gleichen Vorteile wie im Falle des ersten Kunststoffrahmenelements 58.
Wie in den 16 und 17 gezeigt, ist eine Brennstoffzelle 120 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung durch Stapeln einer Mehrzahl von Stromerzeugungseinheiten 122 gebildet.
Die Stromerzeugungseinheit 122 wird gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung 16 zwischen einem ersten Metallseparator 14 und einem zweiten Metallseparator 124 aufgenommen wird. Die Bauelemente, die mit jenen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
Der zweite Metallseparator 124 hat auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 16 weisenden Oberfläche 124a ein Brenngasfließfeld 34. Ein Teil eines Kühlmittelfließfelds 32 ist auf der anderen Oberfläche 124b des zweiten Metallseparators 124 ausgebildet. Die Membranelektrodenanordnung 16 hat die gleiche Struktur wie die erste Membranelektrodenanordnung 16a oder die zweite Membranelektrodenanordnung 16b gemäß der ersten Ausführung.
In der zweiten Ausführung ist das erste Kunststoffrahmenelement 58 für die Membranelektrodenanordnung 16 vorgesehen, und man erhält die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung.

Claims

Brennstoffzelle (10), die durch Stapel einer Membranelektrodenanordnung (16a) und von Metallseparatoren (14, 18, 20) in einer Stapelrichtung gebildet ist, wobei die Membranelektrodenanordnung (16a) ein Paar von Elektroden (54, 56) sowie einen zwischen den Elektroden (54, 56) eingefügten Elektrolyten (52) enthält, wobei die Metallseparatoren (14, 18) jeweils ein Reaktionsgasfließfeld (26, 34) zum Zuführen von Reaktionsgas entlang einer Elektrodenoberfläche sowie einen Reaktionsgaskanal (22, 24a) aufweisen, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas in der Stapelrichtung fließt, wobei ein Kunststoffrahmenelement (58) an einem Außenumfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung (16a) vorgesehen ist, wobei eine Außenform des Kunststoffrahmenelements (58) derart konfiguriert ist, dass das Kunststoffrahmenelement (58) relativ zu dem Reaktionsgaskanal (22a, 24a), der am Außenumfang von jedem der Metallseparatoren (14, 18) vorgesehen ist, einwärts angeordnet ist, und wobei das Kunststoffrahmenelement (58) enthält: einen Puffer (62a, 68a), der außerhalb einer Stromerzeugungsfläche angeordnet und mit dem Reaktionsgasfließfeld (26, 34) verbunden ist; und einen Teil eines Verbindungskanals (98a, 86a), der den Puffer (62a, 68a) und den Reaktionsgaskanal (22a, 24a) verbindet.
Die Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Verbindungskanal (86a) enthält: einen ersten Kanal (90a), der zwischen den Metallseparatoren (18, 20) ausgebildet ist, die einander benachbart sind; ein Loch (36a), das sich durch einen der Metallseparatoren (18) in der Stapelrichtung erstreckt; und einen zweiten Kanal (92a), der zwischen dem Metallseparator (18) und dem Kunststoffrahmenelement (58), die einander benachbart angeordnet sind, ausgebildet ist, und wobei ein Ende des ersten Kanals (90a) mit dem Reaktionsgaskanal (24a) verbunden ist, ein anderes Ende des ersten Kanals (90a) mit dem Loch (36a) verbunden ist, ein Ende des zweiten Kanals (92a) mit dem Loch (36a) verbunden ist und ein anderes Ende des zweiten Kanals (92a) mit dem Puffer (68a) verbunden ist.
Die Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Verbindungskanal (98a) enthält: einen ersten Kanal (102a), der zwischen den Metallseparatoren (14, 18) ausgebildet ist, die einander benachbart sind; und einen zweiten Kanal (104a), der zwischen dem Metallseparator (14) und dem Kunststoffrahmenelement (58) ausgebildet ist, die einander benachbart sind, und wobei ein Ende des ersten Kanals (102a) mit dem Reaktionsgaskanal (22a) verbunden ist, ein Ende des zweiten Kanals (104a) mit dem ersten Kanal (102a) verbunden ist, und ein anderes Ende des zweiten Kanals (104a) mit dem Puffer (62a) verbunden ist.
Die Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein erster Puffer (62a) auf einer Oberfläche des Kunststoffrahmenelements (58) vorgesehen ist, und ein zweiter Puffer (68a) auf der anderen Oberfläche des Kunststoffrahmenelements (58) vorgesehen ist; und jeder des ersten Puffers (62) und des zweiten Puffers (68a) Führungsnuten (66a, 72a) enthält.