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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die
zumindest eine Einheitszelle einschließt. Die Einheitszelle schließt eine
Elektrolyt-Elektrode-Anordnung
und erste und zweite Trenneinheiten zum schichtweisen Anordnen der
Elektrolyt-Elektrode-Anordnung ein. Die Elektrolyt-Elektrode-Anordnung
schließt
ein Paar von Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten
Elektrolyten ein.
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Beispielsweise
verwendet eine Feststoffpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle eine
Membran-Elektrode-Anordnung (MEA), die zwei Elektroden (Anode und
Kathode) und eine zwischen den Elektroden angeordnete Elektrolyt-Membran
einschließt.
Die Elektrolyt-Membran ist eine Polymer-Ionenaustausch-Membran.
Die Membran-Elektrode-Anordnung
ist zwischen einem Paar von Trenneinheiten angeordnet. Die Membran-Elektrode-Anordnung
und die Trenneinheiten bilden eine Einheitszelle zum Erzeugen von
Elektrizität.
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In
der Einheitszelle wird der Anode ein Brennstoffgas (Reaktionsgas)
zugeführt,
beispielsweise ein hauptsächlich
Wasserstoff enthaltendes Gas (wasserstoffhaltiges Gas). Der Katalysator
der Anode induziert eine chemische Reaktion des Brennstoffgases,
so dass das Wasserstoffmolekül
in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen aufgespaltet wird.
Die Wasserstoffionen bewegen sich durch den Elektrolyten in Richtung
zur Kathode, und die Elektronen strömen durch einen äußeren Kreislauf
zur Kathode, wodurch ein elektrischer Gleichstrom erzeugt wird.
Der Kathode wird ein hauptsächlich
Sauerstoff enthaltendes Gas (sauerstoffhaltiges Gas) oder Luft zugeführt. An
der Kathode verbinden sich die Wasserstoffionen aus der Anode mit
den Elektronen und dem Sauerstoff, um Wasser herzustellen.
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Im
Allgemeinen werden einige zehn bis hunderte von Einheitszellen zusammengestapelt,
um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Diese Einheitszellen
müssen
genau zueinander ausgerichtet sein. Um das genaue Positionieren
der Einheitszellen zu erreichen, wird typischerweise ein Schlagstift
in jedes der in den Einheitszellen ausgebildeten Positionierungslöcher eingeführt. Wenn
eine große
Anzahl der Einheitszellen zusammengestapelt wird, ist der Arbeitsvorgang,
die Schlagstifte in die Löcher
der Einheitszellen einzuführen,
aufwändig
und kann die Brennstoffzelle nicht effizient zusammengebaut werden.
Die Komponenten können
ihre gegenseitige Position unerwünschterweise
verlagern, und das gewünschte
Dichtungsverhalten wird möglicherweise nicht
erreicht.
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In
einem Versuch, dieses Problem anzugehen, werden Techniken vorgeschlagen,
wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-12067
und in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-29580 offenbart
sind. Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-12067 offenbart
eine in 9 gezeigte Feststoffpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 1.
Die Brennstoffzelle 1 schließt eine Einheitszelle 2 und
Trenneinheiten 3a, 3b zum schichtweisen Anordnen
der Einheitszelle 2 ein. Die Einheitszelle 2 schließt eine
Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membran 2a,
eine auf einer Fläche
der Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membran 2a vorgesehene Anode 2b und
eine auf der anderen Fläche
der Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membran 2a vorgesehene Kathode 2c ein.
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Zum
Einführen
von Haltestiften 6 erstrecken sich Löcher 4 durch die Brennstoffzelle 1 in
einer Stapelrichtung der Brennstoffzelle 1. Die Trenneinheit 3b weist Öffnungen 5 zum
Einführen
von Schnappringen 7 auf. Der Haltestift 6 weist
eine Schnappring-Befestigungsnut 6a auf.
Der Haltestift 6 wird in das Loch 4 eingeführt, der
Schnappring 7 wird in die Öffnung 5 eingeführt und
der Schnappring 7 wird in die Schnappring-Befestigungsnut 6a eingepasst.
An einem Ende des Haltestifts 6 ist eine abgeschrägte Spitze 6b ausgebildet.
Am anderen Ende des Haltestifts 6 ist ein Loch 6c zum
Einführen
der Spitze 6b eines weiteren Haltestifts 6 ausgebildet.
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Wie
oben beschrieben, wird der Haltestift 6 bei dem System
der Brennstoffzelle 1 in das Loch 4 eingeführt und
wird der Schnappring 7 in die Öffnung 5 eingeführt. Der
Schnappring 7 wird in die Schnappring-Befestigungsnut 6a eingepasst,
um die Brennstoffzelle 1 zusammenzuspannen.
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Daher
wird die Spitze 6b des Haltestifts 6, die von
der äußeren Fläche der
Trenneinheit 3b vorspringt, in das Loch 6c eines
weiteren Haltestifts 6 eingepasst, der eine weitere Brennstoffzelle 1 zusammenspannt.
Auf diese Weise werden benachbarte Brennstoffzellen 1 zueinander
ausgerichtet gestapelt.
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Ferner
offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-29580 eine
in 10 gezeigte Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle
schließt
eine Einheitszelle 8 von rechteckiger parallelepipedischer Gestalt
ein. An einander entgegengesetzten Seiten der Einheitszelle 8 ist
ein Paar von Anschlüssen 9a, 9b vorgesehen.
Der Anschluss 9a ist mit einer Anode 2b verbunden,
und der Anschluss 9b ist mit einer Kathode 2c verbunden.
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Ferner
sind an einander entgegengesetzten Seiten der Einheitszelle 8 in
eine andere Richtung verlaufende Halteglieder 9c, 9d vorgesehen.
Die Komponenten der Einheitszelle 8 werden mittels der Anschlüsse 9a, 9b und
der Halteglieder 9c, 9d aneinander befestigt.
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Gemäß der Offenbarung
der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-12067 muss für jede der
Einheitszellen 2 eine Mehrzahl von Haltestiften 6 in
die Löcher 4 eingeführt werden.
Ferner müssen
die Schnappringe 7 in die jeweiligen Schnappring-Befestigungsnuten 6a der
Haltestifte 6 eingepasst werden. Wenn eine große Anzahl
von Einheitszellen 2 zusammengestapelt wird, wird der Zusammenbauvorgang
der Haltestifte 6 und der Schnappringe 7 daher
ziemlich aufwändig
und kann nicht effizient durchgeführt werden.
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Gemäß der Offenbarung
der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-29580 weist jeder
der Anschlüsse 9a, 9b und
jedes der Halteglieder 9c, 9d zum Halten der Einheitszelle 8 zwei
von einer Basisplatte BP ausgehende Halteabschnitte HP auf. Die Länge der
Halteabschnitte HP ist kürzer
als die Länge
der Basisplatte BP. Die Einheitszelle 8 wird möglicherweise
nicht zuverlässig
zwischen den Halteabschnitten HP gehalten. Daher lösen sich
die Anschlüsse 9a, 9b und
die Halteglieder 9a, 9b leicht von der Einheitszelle 8.
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Die
Anschlüsse 9a, 9b und
die Halteglieder 9c, 9d bedecken die gesamten
Umfangsseitenflächen
der Einheitszelle 8. Daher ist die Brennstoffzelle groß und schwer.
Ferner überlappen
sich die Halteabschnitte HP gegenseitig, wenn die Einheitszellen 8 gestapelt
werden. Aufgrund der Dicke der zum Bedecken der Einheitszellen 9 gestapelten
Halteabschnitte HP ist die Abmessung der Brennstoffzelle in der Stapelrichtung
groß.
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Brennstoffzelle,
die eine kompakte und einfache Struktur aufweist, bei welcher die
Einheitszellen zuverlässig
aneinander befestigt sind und bei welcher die Brennstoffzelle einfach
zusammengebaut werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Mehrzahl von Metallklammergliedern vorgesehen, um äußere Bereiche
von ersten und zweiten Trenneinheiten an einer Mehrzahl von Positionen
zu halten. Jedes der Metallklammerglieder schließt eine an einander entgegengesetzten
Enden gekrümmte
Seitenplatte und erste und zweite Halteabschnitte ein, die sich
von den einander entgegengesetzten Enden der Seitenplatte erstrecken.
Die Länge
der ersten und zweiten Halteabschnitte ist größer als eine Länge der
Seitenplatte, so dass die ersten und zweiten Trenneinheiten zwischen
den ersten und zweiten Halteabschnitten mittels einer von den ersten
und zweiten Halteabschnitten ausgeübten elastischen Kraft zusammengespannt
sind.
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Da
das Metallklammerglied relativ lange erste und zweite Halteabschnitte
aufweist, werden die äußeren Bereiche
der ersten und zweiten Trenneinheiten mittels der ersten und zweiten
Halteabschnitte sicher befestigt. Deshalb ist es möglich, das
Ablösen des
Metallklammerglieds von den ersten und zweiten Trenneinheiten wirksam
zu verhindern. Im Vergleich zur Seitenplatte des Metallklammerglieds
sind die ersten und zweiten Halteabschnitte lang. Die ersten und
zweiten Halteabschnitte weisen die Elastizität auf, um die ersten und zweiten
Trenneinheiten sicher zusammenzuspannen. Daher kann die Einheitszelle effizient
zusammengebaut werden, und ist die Anzahl der Schritte zum Zusammenbauen
der Einheitszelle klein. Das Dichtungsverhalten kann bei der Handhabung
der Einheitszelle aufrechterhalten werden, und die Einheitszelle
kann effizient gehandhabt werden. Bei der Einheitszelle ist die
Membran-Elektrode-Anordnung zwischen den ersten und zweiten Trenneinheiten
angeordnet. Die Feuchtigkeit an der Membran-Elektrode-Anordnung
wird auf einem gewünschten
Niveau gehalten. Die Membran-Elektrode-Anordnung trocknet nicht,
und das gewünschte
Verhalten der Einheitszelle wird aufrechterhalten.
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Die
ersten und zweiten Halteabschnitte können von einander weg gekrümmte oder
gebogene Ränder
aufweisen. Daher können
die ersten und zweiten Trenneinheiten problemlos zwischen die Ränder der
ersten und zweiten Halteabschnitte eingeführt werden. Die Metallklammerglieder
können einfach
und zuverlässig
an den ersten und zweiten Trenneinheiten befestigt werden.
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Die
Brennstoffzelle kann erste und zweite Einheitszellen einschließen, die
in einer Stapelrichtung zusammengestapelt sind. Jede der ersten
und zweiten Einheitszellen kann einen Klammerbefestigungsabschnitt
zum Befestigen des Metallklammerglieds einschließen. Das am Klammerbefestigungsabschnitt
der ersten Einheitszelle befestigte Metallklammerglied ist nicht
zu dem am Klammerbefestigungsabschnitt der zweiten Einheitszelle
befestigten Metallklammerglied ausgerichtet. Wenn die ersten und
zweiten Einheitszellen zusammengestapelt werden, um einen Stapelkörper zu
bilden, überlappen sich
die Metallklammerglieder in der Stapelrichtung nicht. Daher ist
die Abmessung des Stapelkörpers
in der Stapelrichtung nicht groß.
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Jede
der ersten und zweiten Trenneinheiten kann eine Metallplatte und
einen Isolierungsabschnitt aus Isolierungsharz oder einer Isolierungsbeschichtung
einschließen,
der an einem äußeren Ende
der Metallplatte gebildet ist. Das Metallklammerglied ist am Isolierungsabschnitt
der ersten Trenneinheit und am Isolierungsabschnitt der zweiten
Trenneinheit befestigt. Mit der einfachen und kostengünstigen
Struktur wird ein Kurzschluss zwischen den ersten und zweiten Trenneinheiten
durch das Metallklammerglied verhindert, und kann das gewünschte Leistungserzeugungsverhalten
aufrechterhalten werden.
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Die
ersten und zweiten Trenneinheiten können jeweils gekrümmte Enden
einschließen.
Die gekrümmten
Enden der ersten und zweiten Trenneinheiten sind an den Isolierungsabschnitten
der ersten und zweiten Trenneinheiten von einander weg gekrümmt oder
gebogen. Daher ist es möglich,
das Lösen
des Metallklammerglieds von den ersten und zweiten Trenneinheiten
zu verhindern.
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Das
gekrümmte
Ende kann den Isolierungsabschnitt aus Isolierungsharz oder einer
Isolierungsbeschichtung einschließen, der an dem äußeren Ende
der Metallplatte gebildet ist. In diesem Fall ist die Struktur des
gekrümmten
Endes einfach.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Ansicht ist, die eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt;
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2 eine
Explosionsansicht ist, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle
schematisch zeigt;
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3 eine
Vorderansicht ist, welche die Einheitszelle zeigt;
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4 eine
Perspektivansicht ist, die ein Metallklammerglied zeigt;
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5 eine
Perspektivansicht ist, welche die Einheitszellen zeigt, die zusammengestapelt
werden sollen;
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6 eine
Querschnittsansicht ist, die gekrümmte Enden eines alternativen
Typs teilweise zeigt;
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7 eine
Perspektivansicht ist, die ein Metallklammerglied einer Brennstoffzelle
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 eine
Ansicht ist, die ein Metallklammerglied einer Brennstoffzelle gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 eine
Ansicht ist, die eine in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. 2000-12067 offenbarte Brennstoffzelle zeigt; und
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10 eine
Ansicht ist, die eine in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. 7-29580 offenbarte Brennstoffzelle zeigt.
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1 ist
eine Ansicht, die eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
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Die
Brennstoffzelle 10 schließt einen Stapelkörper 14 ein,
der durch das Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen 12 in
einer durch einen Pfeil A angezeigten Richtung gebildet wird. Anschlussplatten 16a, 16b sind
jeweils an den äußersten
Einheitszellen 12 an einander entgegengesetzten Enden des Stapelkörpers 14 vorgesehen.
Isolierungsplatten 18a, 18b sind jeweils auf den
Anschlussplatten 16a, 16b vorgesehen. Ferner sind
Endplatten 20a, 20b jeweils auf den Isolierungsplatten 18a, 18b vorgesehen.
Die Endplatten 20a, 20b sind mittels Zugstangen
oder dergleichen (nicht gezeigt) befestigt, um die Einheitszellen 12 der
Brennstoffzelle 10 mit einer vorbestimmten Spannkraft in
der durch den Pfeil A angezeigten Richtung zusammenzuspannen.
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Wie
in 2 gezeigt, schließt die Einheitszelle 12 eine
Membran-Elektrode-Anordnung
(Elektrolyt-Elektrode-Anordnung) 22 und erste und zweite Metalltrenneinheiten 24, 26 zum
schichtweisen Anordnen der Membran-Elektrode-Anordnung 22 ein.
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An
einem horizontalen Ende der Einheitszelle 12 in einer durch
einen Pfeil B angezeigten Richtung sind ein Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges
Gas zum Zuführen
eines sauerstoffhaltigen Gases, ein Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b zum Austragen
eines Kühlmittels
und ein Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b zum Austragen
eines Brennstoffgases, beispielsweise eines wasserstoffhaltigen
Gases, in einer durch einen Pfeil C angezeigten Richtung vertikal
angeordnet. Der Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges Gas, der
Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b und
der Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b erstrecken sich in
der durch den Pfeil A angezeigten Stapelrichtung durch die Einheitszelle 12.
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Am
anderen horizontalen Ende der Einheitszelle 12 sind in
der durch den Pfeil B angezeigten Richtung ein Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a zum
Zuführen
des Brennstoffgases, ein Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a zum
Zuführen
des Kühlmittels
und ein Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges Gas zum
Austragen des sauerstoffhaltigen Gases in der durch den Pfeil C
angezeigten Richtung vertikal angeordnet. Der Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a,
der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a und
der Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken
sich in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung durch die Brennstoffzelle 10.
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Die
Membran-Elektrode-Anordnung 22 umfasst eine Anode 38,
eine Kathode 40 und eine Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membran
(Elektrolyt) 36, die zwischen der Anode 38 und
der Kathode 40 angeordnet ist (siehe 1 und 2).
Die Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membran 36 wird
beispielsweise durch Imprägnieren
einer dünnen
Membran aus Perfluorsulfonsäure
mit Wasser gebildet.
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Jede
Anode 38 und Kathode 40 weist eine Gasdiffusionsschicht,
beispielsweise ein Kohlenstoffpapier, und eine Elektrode-Katalysator-Schicht
aus einer Platinlegierung auf, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln lagert.
Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf die Fläche der
Gasdiffusionsschicht aufgebracht. Die Elektrode-Katalysator-Schicht der Anode 38 und
die Elektrode-Katalysator-Schicht der Kathode 40 werden
jeweils an beiden Flächen
der Feststoffpolymer-Elektrolyt-Membran 36 befestigt.
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Wie
in 2 gezeigt, weist die erste Metalltrenneinheit 24 auf
ihrer der Membran-Elektrode-Anordnung 22 zugewandten
Fläche 24a ein
Strömungsfeld 42 für sauerstoffhaltiges
Gas auf. Das Strömungsfeld 42 für sauerstoffhaltiges
Gas schließt
beispielsweise eine Mehrzahl von Nuten ein, die sich in der durch
den Pfeil B angezeigten Richtung geradlinig erstrecken. Das Strömungsfeld 42 für sauerstoffhaltiges
Gas ist an einem Ende mit dem Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges
Gas verbunden und ist am anderen Ende mit dem Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges
Gas verbunden.
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Die
zweite Metalltrenneinheit 26 weist auf ihrer der Membran-Elektrode-Anordnung 22 zugewandten
Fläche 26a ein
Brennstoffgas-Strömungsfeld 44 auf.
Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 44 schließt beispielsweise
eine Mehrzahl von Nuten ein, die sich in der durch den Pfeil B angezeigten
Richtung geradlinig erstrecken. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 44 ist
an einem Ende mit dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a verbunden
und ist am anderen Ende mit dem Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b verbunden.
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Wie
in 2 gezeigt, ist zwischen einer Fläche 24b der
ersten Metalltrenneinheit 24 und einer Fläche 26b der
zweiten Metalltrenneinheit 26 ein Kühlmittel-Strömungsfeld 46 gebildet.
Das Kühlmittel-Strömungsfeld 46 schließt eine
Mehrzahl von Nuten ein, die sich in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung
geradlinig erstrecken. Insbesondere wird das Kühlmittel-Strömungsfeld 46 durch
das Kombinieren von Nuten auf der ersten Metalltrenneinheit 24 und
von Nuten auf der zweiten Metalltrenneinheit 26 gebildet,
wenn die ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 zusammengestapelt
werden. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 46 ist
an einem Ende mit dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a verbunden
und ist am anderen Ende mit dem Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b verbunden.
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Auf
beiden Flächen 24a, 24b der
ersten Metalltrenneinheit 24 werden beispielsweise durch Gießformen
erste Dichtungsglieder (Harzisolierungen) 50 integral gebildet.
Das erste Dichtungsglied 50 auf der Fläche 24a ist um das
Strömungsfeld 42 für sauerstoffhaltiges
Gas herum vorgesehen, welches zwischen dem Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges
Gas und dem Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges Gas verbunden
ist. Das erste Dichtungsglied 50 auf der Fläche 24b ist
um das Kühlmittel-Strömungsfeld
46 herum vorgesehen, welches zwischen dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a und
dem Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b verbunden
ist.
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Wie
in 1 gezeigt, ist an einem äußeren Ende der ersten Metalltrenneinheit 24 ein
gekrümmtes
Ende 52 vorgesehen. Das gekrümmte Ende 52 ist von
der Membran-Elektrode-Anordnung 22 weg gekrümmt oder
gebogen. Das erste Dichtungsglied 50 schließt einen
Isolierungsabschnitt 54 ein, der das gekrümmte Ende 52 bedeckt.
Ein später
beschriebenes Metallklammerglied 56 ist am Isolierungsabschnitt 54 befestigt.
Der Isolierungsabschnitt 54 weist eine Stufe 54a auf,
die entsprechend der Gestalt des gekrümmten Endes 52 gekrümmt oder
gebogen ist. Die Stufe 54a verhindert das Lösen des
Metallklammerglieds 56.
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Auf
beiden Flächen 26a, 26b der
zweiten Metalltrenneinheit 26 werden beispielsweise durch Gießformen
zweite Dichtungsglieder (Harzisolierungen) 58 integral
gebildet. Das zweite Dichtungsglied 58 auf der Fläche 26b ist
um das Brennstoffgas-Strömungsfeld 44 herum
vorgesehen, welches zwischen dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a und
dem Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b verbunden ist.
Das zweite Dichtungsglied 58 auf der Fläche 26a ist um das
Kühlmittel-Strömungsfeld 46 herum vorgesehen,
welches zwischen dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a und
dem Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b verbunden
ist.
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Wie
in 1 gezeigt, ist an einem äußeren Ende der zweiten Metalltrenneinheit 26 ein
gekrümmtes
Ende 60 vorgesehen. Das gekrümmte Ende 60 ist von
der Membran-Elektrode-Anordnung 22 weg gekrümmt oder
gebogen. Das zweite Dichtungsglied 58 schließt einen
Isolierungsabschnitt 62 ein, der das gekrümmte Ende 60 bedeckt.
Ein Metallklammerglied 56 ist am Isolierungsabschnitt 62 befestigt.
Der Isolierungsabschnitt 62 weist eine Stufe 62a auf,
die entsprechend der Gestalt des gekrümmten Endes 60 gekrümmt oder
gebogen ist.
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Das
gekrümmte
Ende 52 der ersten Metalltrenneinheit 24 und das
gekrümmte
Ende 60 der zweiten Metalltrenneinheit 26 sind
von einander weg gekrümmt
oder gebogen, um das Lösen
des Metallklammerglieds 56 von den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 zu
verhindern.
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Die
gekrümmten
Enden 52, 60 der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 sind
von einander weg gekrümmt
oder gebogen. Daher verbessert sich die Steifigkeit der äußeren Enden
der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26.
Eine Mehrzahl der Metallklammerglieder 56 wird zum Halten der äußeren Bereiche
der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 der
Einheitszelle 12 an einer Mehrzahl von Positionen verwendet.
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Wie
in 3 gezeigt, sind an vorbestimmten Positionen im äußeren Bereich
der Einheitszelle 12 Klammerbefestigungsabschnitte 64a bis 64k vorgesehen.
Jeder der Klammerbefestigungsabschnitte 64a bis 64k schließt erste
und zweite Positionen 66a und 66b ein. Das Metallklammerglied 56 wird
beispielsweise selektiv an der ersten oder der zweiten Position 66a bzw. 66b des
Klammerbefestigungsabschnitts 64a entlang dessen Breite
in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung befestigt. Desgleichen schließt jeder
der Klammerbefestigungsabschnitte 64b bis 64k erste
und zweite Positionen zum selektiven Befestigen der Metallklammerglieder 56 ein.
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Wie
in 4 gezeigt, wird das Metallklammerglied 56 mittels
Biegen einer dünnen
Metallplatte gebildet. Das Metallklammerglied 56 schließt eine Seitenplatte 68 und
erste und zweite Halteabschnitte 70, 72 ein. Die
Seitenplatte 68 ist an einander entgegengesetzten Enden
gebogen, und erste und zweite Halteabschnitte 70, 72 gehen
von den einander entgegengesetzten Enden der Seitenplatte 68 aus.
Die Abmessung H1 der ersten und zweiten Halteabschnitte 70, 72 ist
größer als
die Abmessung (Breite) H2 der Seitenplatte 68. Die Seitenplatte 68 und
die ersten und zweiten Halteabschnitte 70, 72 erzeugen eine
gewünschte
elastische Kraft, um die zwischen den ersten und zweiten Halteabschnitten 70, 72 schichtweise
angeordnete Einheitszelle 12 zusammenzuspannen. Die ersten
und zweiten Halteabschnitte weisen Ränder 70a, 72a auf,
die von einander weg gekrümmt
oder gebogen sind.
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Als
Nächstes
wird der Zusammenbauvorgang der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
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Wie
in 2 gezeigt, wird zuerst die Membran-Elektrode-Anordnung 22 zwischen
den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 schichtweise
angeordnet. Wie in 3 gezeigt, werden danach die
Metallklammerglieder 56 jeweils an den ersten Positionen 66a der
Klammerbefestigungsabschnitte 64a bis 64k befestigt.
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In
der ersten Ausführungsform
ist die Abmessung H1 der ersten und zweiten Halteabschnitte 70, 72 des
Metallklammerglieds 56 größer als die Abmessung (Breite)
H2 der Seitenplatte 68 und weisen die Seitenplatte 68 und
die ersten und zweiten Halteabschnitte 70, 72 die
Elastizität
auf, um die gewünschte
elastische Kraft zu erzeugen (siehe 4). Wenn
die Metallklammerglieder 56 an den ersten Positionen 66a befestigt
sind, wie in 1 gezeigt, werden die äußeren Bereiche der
ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 deshalb
zuverlässig
zwischen den relativ langen ersten und zweiten Halteabschnitten 70, 72 gehalten.
Die Metallklammerglieder 56 lösen sich von den ersten und
zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 nicht. Daher
sind die Komponenten der Einheitszelle 12 sicher aneinander
befestigt.
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Ferner
sind die ersten und zweiten Halteabschnitte 70, 72 lang
und weisen eine hohe Elastizität auf,
um die ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 gewünschtermaßen zu halten.
Wenn die ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 zwischen
den ersten und zweiten Halteabschnitten 70, 72 gehalten
werden, um die Komponenten der Einheitszelle 12 zu befestigen,
wird das Dichtungsverhalten deshalb aufrechterhalten und kann die
Einheitszelle 12 effizient gehandhabt werden.
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Ferner
können
die Metallklammerglieder 56 an den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 befestigt
werden, indem das Metallklammerglied 56 einfach an den
ersten Positionen 66a in die ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 eingepasst wird.
Die Komponenten der Einheitszelle 12 können leicht zusammengebaut
werden. Die Anzahl der Schritte zum Zusammenbauen der Einheitszelle 12 kann
deutlich verringert werden. Der effiziente Zusammenbauvorgang kann
leicht ausgeführt
werden. Ferner ist die Membran-Elektrode-Anordnung 22 in der Einheitszelle 12 zwischen
den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 angeordnet.
Die Feuchtigkeit an der Membran-Elektrode-Anordnung 22 wird auf einem
gewünschten
Niveau gehalten. Die Membran-Elektrode-Anordnung 22 trocknet
nicht, und das gewünschte
Verhalten der Einheitszelle 12 wird aufrechterhalten.
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Die
Ränder 70a, 72a der
ersten und zweiten Halteabschnitte 70, 72 sind
von einander weg gekrümmt
oder gebogen. Daher können
die ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 problemlos
zwischen die Ränder 70a, 72a eingeführt werden.
Die Metallklammerglieder 56 können einfach und zuverlässig an
den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 befestigt
werden.
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Die
ersten und zweiten Dichtungsglieder 50, 58 bedecken äußere Bereiche
der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26.
Das Metallklammerglied 56 ist an den Isolierungsabschnitten 54, 62 der ersten
und zweiten Dichtungsglieder 50, 58 befestigt. Daher
wird ein Kurzschluss zwischen den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 durch
das Metallklammerglied 56 verhindert und kann das gewünschte Leistungserzeugungsverhalten
aufrechterhalten werden.
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Die
gekrümmten
Enden 52, 60 sind jeweils an den äußeren Enden
der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 vorgesehen.
Das gekrümmte
Ende 52 der ersten Metalltrenneinheit 24 und das gekrümmte Ende 60 der
zweiten Metalltrenneinheit 26 sind voneinander weg gekrümmt oder
gebogen. Die gekrümmten
Enden 52, 60 werden von den Isolierungsabschnitten 54, 62 der
ersten und zweiten Dichtungsglieder 50, 58 bedeckt.
Die Isolierungsabschnitte 54, 62 weisen die Stufen 54a, 62a auf,
die der Gestalt der gekrümmten
Enden 52, 60 entsprechen. Die Stufen 54a, 62a verhindern
wirksam das Lösen
des an der Einheitszelle 12 befestigten Metallklammerglieds 56.
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In
der ersten Ausführungsform
sind die gekrümmten
Enden 52, 60 an den äußeren Enden der ersten und
zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 vorgesehen.
Die Ausführungsform
kann je nach Anwendung abgewandelt werden. Anstelle der Verwendung der
gekrümmten
Enden 52, 60 können
in einer in 6 gezeigten, anderen Ausführungsform
beispielsweise gekrümmte
Isolierungsabschnitte 76, 78 als Isolierungsabschnitte 54, 62 vorgesehen
sein, indem die äußeren Enden
der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 mittels
Isolierungsharz oder einer Isolierungsbeschichtung isoliert werden.
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Danach
wird eine weitere Einheitszelle (zweite Einheitszelle) 12 auf
die Einheitszelle 12 gestapelt. Die Metallklammerglieder 56 werden
an den zweiten Positionen 66b der Klammerbefestigungsabschnitte 64a bis 64k (siehe 5)
der zweiten Einheitszelle 12 befestigt. Ferner wird noch
eine weitere Einheitszelle (dritte Einheitszelle) 12 auf
der zweiten Einheitszelle 12 vorgesehen. Die Metallklammerglieder 56 werden
an den ersten Positionen 66a der Klammerbefestigungsabschnitte 64a bis 64k (siehe 5)
der dritten Einheitszelle 12 befestigt.
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Wenn
eine Mehrzahl von Einheitszellen 12 zusammengestapelt wird,
um den Stapelkörper 14 zu bilden,
sind die an den jeweiligen Einheitszellen 12 befestigten Metallklammerglieder 56 daher
nicht mehr zueinander ausgerichtet und überlappen sich in der Stapelrichtung
nicht. Daher ist die Abmessung des Stapelkörpers 14 in der Stapelrichtung
nicht groß.
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Nachdem
eine vorbestimmte Anzahl von Einheitszellen 12 in der durch
den Pfeil A angezeigten Richtung zusammengestapelt worden sind,
um den Stapelkörper 14 zu
bilden, werden die Anschlussplatten 16a, 16b außerhalb
des Stapelkörpers 14 vorgesehen.
Dann werden die Isolierungsplatten 18a, 18b außerhalb
der Anschlussplatten 16a, 16b vorgesehen, und
werden die Endplatten 20a, 20b außerhalb
der Anschlussplatten 16a, 16b vorgesehen. Die
Endplatten 20a, 20b werden mittels Zugstangen
oder dergleichen (nicht gezeigt) zusammengespannt. Auf diese Weise
wird die Brennstoffzelle 10 zusammengebaut.
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Als
Nächstes
wird nachstehend der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
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In
Bezug auf 1 werden in der Brennstoffzelle 10 ein
sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, ein Brennstoffgas,
beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, und ein Kühlmittel,
beispielsweise destilliertes Wasser, ein Ethylenglycol oder ein Öl, zu dem
Stapelkörper 14 zugeführt, der
durch Stapeln einer vorbestimmten Anzahl von Einheitszellen 12 gebildet
wurde.
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Wie
in 2 gezeigt, strömt
das sauerstoffhaltige Gas in jeder der Einheitszellen 12 vom
Zufuhrdurchgang 30a für
sauerstoffhaltiges Gas in das Strömungsfeld 42 für sauerstoffhaltiges
Gas der ersten Metalltrenneinheit 24. Das sauerstoffhaltige
Gas strömt
in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung entlang der Kathode 40 der
Membran-Elektrode-Anordnung 22, um an der Kathode 40 eine
chemische Reaktion zu induzieren. Das Brennstoffgas strömt vom Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a in
das Brennstoffgas-Strömungsfeld 44 der
zweiten Metalltrenneinheit 26. Das Brennstoffgas strömt in der durch
den Pfeil B angezeigten Richtung entlang der Anode 38 der
Membran-Elektrode-Anordnung 22, um an der Anode 38 eine
chemische Reaktion zu induzieren.
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In
der Membran-Elektrode-Anordnung 22 werden das der Kathode 40 zugeführte, sauerstoffhaltige
Gas und das der Anode 38 zugeführte Brennstoffgas in den elektrochemischen
Reaktionen an den Katalysatorschichten der Kathode 40 und
der Anode 38 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
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Nachdem
das sauerstoffhaltige Gas an der Kathode 40 verbraucht
worden ist, strömt
das sauerstoffhaltige Gas in den Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges
Gas und strömt
in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung. Nachdem das Brennstoffgas
bei der Anode 38 verbraucht worden ist, strömt das Brennstoffgas
gleichermaßen
in den Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b und strömt in der
durch den Pfeil A angezeigten Richtung.
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Das
dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a zugeführte Kühlmittel
strömt
in das Kühlmittel-Strömungsfeld 46 zwischen
den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 und
strömt
in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Nachdem das Kühlmittel
zum Kühlen
der Membran-Elektrode-Anordnung 22 verwendet worden ist,
wird das Kühlmittel
in den Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b ausgetragen.
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In
der ersten Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Dichtungsglieder 50, 58 auf
den ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 vorgesehen.
Die Ausführungsform
kann jedoch je nach Anwendung abgewandelt werden. Beispielsweise
wird eine Isolierungsbeschichtung verwendet. Alternativ können anstatt
der ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 Kohlenstoffplatten
verwendet werden.
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7 ist
eine Perspektivansicht, die ein Metallklammerglied 80 einer
Brennstoffzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Das
Metallklammerglied 80 schließt eine Seitenplatte 82 und
erste und zweite Halteabschnitte 84, 86 ein. Die
Seitenplatte 82 ist an einander entgegengesetzten Enden
gekrümmt,
und die ersten und zweiten Halteabschnitte 84, 86 gehen
von den einander entgegengesetzten Enden der Seitenplatte 82 aus.
Die Abmessung H1 der ersten und zweiten Halteabschnitte 84, 86 ist
größer als
die Abmessung (Breite) H2 der Seitenplatte 82. Ränder 84a, 86a der ersten
und zweiten Halteabschnitte 84, 86 sind von einander
weg gekrümmt
oder gebogen. Die Ränder 84a, 86a springen
in einem vorbestimmten Abstand von einander entgegengesetzten Seiten
in einer durch den Pfeil W angezeigten Richtung vor.
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Daher
ist die Abmessung der Ränder 84a, 86a der
Halteabschnitte 84, 86 in der durch den Pfeil W
angezeigten Richtung lang, und werden die ersten und zweiten Metalltrenneinheiten 24, 26 sicher
zwischen den Rändern 84a, 86a der
Halteabschnitte 84, 86 gehalten.
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8 ist
eine Perspektivansicht, die ein Metallklammerglied 90 einer
Brennstoffzelle gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Das
Metallklammerglied 90 schießt eine Seitenplatte 92 und
erste und zweite Halteabschnitte 94, 96 ein. Die
Seitenplatte 92 ist an einander entgegengesetzten Enden
gekrümmt,
und die ersten und zweiten Halteabschnitte 94, 96 gehen
von den einander entgegengesetzten Enden der Seitenplatte 92 aus. Die
Länge der
ersten und zweiten Halteabschnitte 94, 96 ist
größer als
die Länge
der Seitenplatte 92. In der Mitte jedes der ersten und
zweiten Halteabschnitte 94, 96 ist eine relativ
große Öffnung 98 ausgebildet.
Ränder 94a, 96a der
ersten und zweiten Halteabschnitte 94, 96 sind
von einander weg gekrümmt oder
gebogen.
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Da
in den ersten und zweiten Abschnitten 94, 96 des
Metallklammerglieds 90 relativ große Öffnungen ausgebildet sind,
hat das Metallklammerglied 90 wenig Gewicht. Das Gesamtgewicht
der Brennstoffzelle ist gering. Wenn insbesondere eine große Anzahl
von Einheitszellen 12 zusammengestapelt wird, verringert
sich das Gewicht der Brennstoffzelle deutlich.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Metallklammerglied relativ lange erste und zweite Halteabschnitte
auf. Die äußeren Bereiche
von ersten und zweiten Trenneinheiten werden mittels der ersten
und zweiten Halteabschnitte sicher befestigt. Daher ist es möglich, das
Ablösen
des Metallklammerglieds von den ersten und zweiten Trenneinheiten
wirksam zu verhindern. Die ersten und zweiten Halteabschnitte sind
im Vergleich zu einer Seitenplatte des Metallklammerglieds lang.
Deshalb weisen die ersten und zweiten Halteabschnitte die Elastizität auf, um
die ersten und zweiten Trenneinheiten sicher zusammenzuspannen.
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Daher
kann die Einheitszelle effizient zusammengebaut werden, und ist
die Anzahl der Schritte zum Zusammenbauen der Einheitszelle klein.
Das Dichtungsverhalten kann durch die Handhabung der Einheitszelle
aufrechterhalten werden, und die Einheitszelle kann effizient gehandhabt
werden.