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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Verfahren
zur Steuerung der Gasverteilung in einer Brennstoffzelle. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer
Membran-Elektroden-Anordnung, die eine Elektrolyt-Membran und poröse Elektroden
enthält, die
jeweils auf beiden Seiten der Elektrolyt-Membran angeordnet sind;
wobei die Membran-Elektroden-Anordnung durch einen anodenseitigen
Separator, der auf einer Oberfläche
derselben positioniert ist, und einen kathodenseitigen Separator,
der auf der anderen Oberfläche
derselben positioniert ist, dazwischengelegt ist.
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Die
ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2001-319667 zeigt einen Aufbau einer Brennstoffzelle,
in dem eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran einer Membran-Elektroden-Anordnung gebildet
ist, um ihren äußeren Umfangsabschnitt
relativ zu einem Umfang der porösen
Elektroden nach außen
vorspringen zu haben, und eine Fluid-Abdichtung wird verwendet,
um den Spalt zwischen dem äußeren Umfangsabschnitt
der festen Polymer-Elektrolyt-Membran und den Separatoren, die zwischen
die Membran-Elektroden-Anordnung eingelegt sind, auszufüllen.
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Jede
der ungeprüften
Japanischen Patentveröffentlichungen
10-50332 ,
2002-42838 ,
2002-93434 und
2001-155745 zeigt eine
Aufbau eines Außenumfangsumfangs-Separator-Einlageabschnittes
einer festen Elektrolyt-Membran sowie ein Dichtungsteil und eine
Dichtung, die rund um die porösen
Elektroden vorgesehen ist, um eine Gasleckage aus einem Umfangsabschnitt
der Membran-Elektroden-Anordnung zu vermeiden.
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In
einer Brennstoffzelle ist ein Paar von Separatoren angeordnet, um
eine Membran-Elektroden-Anordnung dazwischen einzulegen. Jeder der Separatoren
ist gebildet, um einen Gasströmungspfad
mit einer Kanalform im Querschnitt an seiner Oberfläche zu haben,
die gegenüberliegend
zu einer der porösen
Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung ist. Der Gasströmungspfad
wird hauptsächlich
klassifiziert in einen großen,
infolge der Form desselben, wobei ein serpentinenförmiger Strömungspfad,
d. h. einen kontinuierlichen Strömungspfad,
viele Windungsabschnitte hat, und einen unterteilten Strömungspfad,
der einen Hauptströmungspfad
und eine Mehrzahl von Verzweigungs strömungspfaden enthält, die
von dem Hauptströmungspfad
abzweigen. In dem serpentinenförmigen Strömungspfad
sickert, da ein dort zugeführtes
Reaktionsgas durch die Windungsabschnitte desselben hindurchströmt, das
Reaktionsgas aus den Windungsabschnitten heraus geht durch Teile
der porösen
Elektrode in der Nähe
der Windungsabschnitte und schließt sich zwischen den Windungsabschnitten
des Gasströmungspfades
auf der Reaktionsoberfläche
der porösen
Elektrode kurz. Als ein Ergebnis wird das Reaktionsgas nicht gleichmäßig über die
gesamte Reaktionsoberfläche
der porösen
Elektrode zugeführt
und die Reaktionsoberfläche
derselben kann nicht effektiv verwendet werden. Auch in dem unterteilten
Strömungspfad
geht ein Reaktionsgas durch einen Teil der porösen Elektrode, um dadurch einen
effizienten Gebrauch der Reaktionsoberfläche derselben zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung wurde im Licht der oben genannten Probleme
vorgenommen.
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Die
JP 08096820 zeigt eine
Brennstoffzelle mit einer Elektrolyt-Membran, die zwischen zwei Gasdiffusionselektroden
angeordnet ist. Ein Sammler hat Oberflächenrippen, die gebildet sind,
um Gaskanäle
zu bilden, in denen ein Reaktionsgas strömt, wodurch die Rippen in Kontakt
mit der Gasdiffusionselektrode sind. Die oberen Enden der Rippen
sind mit Rinnen ausgerüstet,
die die selbe Tiefe haben, so dass die verbleibenden Abschnitte
der Rippen in die Richtung der jeweiligen Seite der Gasdiffusionselektrode
vorspringen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle und
ein Verfahren zur Steuerung der Gasverteilung in einer Brennstoffzelle
zu schaffen, um ein Reaktionsgas gleichmäßig zu einer Reaktionsoberfläche einer
Elektrode zuzuführen,
um den Gebrauch der Reaktionsoberfläche effizienter zu gestalten.
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Entsprechend
eines Vorrichtungsaspektes der vorliegenden Erfindung wird diese
Aufgabe durch eine Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruches
1 gelöst.
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Entsprechend
eines Verfahrensaspektes der vorliegenden Erfindung wird die vorerwähnte Aufgabe
durch die Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruches 7 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerer Ausführlichkeit
mittels verschiedener Ausführungsbeispiele
erläutert,
wobei:
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1 eine
Querschnittsdarstellung ist, die einen Aufbau einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines ersten Ausführungsbeispieles
zeigt, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators des ersten
Ausführungsbeispieles
zeigt, die einen Vorsprung zeigt, der auf einer Rippe desselben
vorgesehen ist;
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3 ein
Diagramm ist, das ein Beispiel der Gasdiffusion innerhalb einer
porösen
Elektrode entsprechend des ersten Ausführungsbeispieles zeigt und
eine des zugehörigen
Standes der Technik, die keinen Vorsprung hat;
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4 eine
Querschnittsdarstellung ist, die einen Aufbau einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispieles
zeigt, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine
perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines dritten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines vierten Ausführungsbeispieles
ist, das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 eine
Draufsicht ist, die ein Muster von Gasströmungspfaden zeigt, die in dem
anodenseitigen Separator der festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines fünften
Ausführungsbeispieles
gebildet sind, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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8 eine
Draufsicht ist, die ein Muster von Gasströmungspfaden zeigt, die in dem
anodenseitigen Separator der festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines sechsten Ausführungsbeispieles
gebildet sind, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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9 eine
Draufsicht ist, die ein Muster der Gasströmungspfade zeigt, die in dem
anodenseitigen Separator der festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines siebenten Ausführungsbeispieles gebildet sind,
die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 eine
Draufsicht ist, die ein Muster der Gasströmungspfade zeigt, die in dem
anodenseitigen Separator der festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines achten Ausführungsbeispieles
gebildet sind, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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11 eine
Draufsicht ist, die ein Muster der Gasströmungspfade zeigt, die in dem
anodenseitigen Separator der festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines neunten Ausführungsbeispieles
gebildet sind, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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12 eine
perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines zehnten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13 eine
perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines elften Ausführungsbeispieles
ist;
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14 eine
perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines zwölften
Ausführungsbeispieles
ist;
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15 eine
perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines dreizehnten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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16 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines vierzehnten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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17 eine
Querschnittsdarstellung ist, die einen Aufbau einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines fünfzehnten
Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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18 eine
Querschnittsdarstellung ist, die einen Aufbau einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines sechzehnten Ausführungsbeispieles ist, die nicht
alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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19 eine
Querschnittsdarstellung ist, die einen Aufbau einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines siebzehnten Ausführungsbeispieles ist, die nicht
alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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20 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines achtzehnten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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21 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines neunzehnten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt;
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22 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines zwanzigsten Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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23 eine
perspektivische Ansicht eines anodenseitigen Separators entsprechend
eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispieles
ist, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Nachstehend
werden die Ausführungsbeispiele
in Bezug auf die Zeichnungen erläutert,
wobei gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet werden.
Wie in der 1 gezeigt, sind in einer festen
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines ersten Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt, poröse Elektroden 3, 5 so
wie poröse
Diffusionsschichten auf beiden Seiten einer festen Polymer-Elektrolyt-Membran 1 angeordnet,
um gemeinsam eine Membran-Elektroden-Anordnung 7 zu bilden.
Ein anodenseitigen Separator 9 ist auf einer Oberfläche der
Membran-Elektroden-Anordnung 7 angeordnet und ein kathodenseitigen
Separator 11 ist auf der anderen Oberfläche derselben angeordnet, wodurch
die Membran-Elektroden-Anordnung 7 durch die Separatoren 9, 11 dazwischengelegt
wird.
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An
den Umfängen
der porösen
Elektroden 3, 5 sind ringförmige Dichtungen 13, 15 vorgesehen,
die jeweils zwischen einem von den Separatoren 9, 11 und
die feste Polymer-Elektrolyt-Membran 1 eingesetzt ist,
um dadurch ein Reaktionsgas darin, z. B. ein Kraftstoffgas, das
Wasserstoff enthält,
oder ein oxidierendes Gas, das Sauerstoff enthält, abzudichten.
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Die
feste Polymer-Elektrolyt-Membran 1 ist als eine Protonenaustauschmembran
gebildet, die aus festem Polymermaterial, z. B. aus Kunststoff der Fluorfamilie,
hergestellt ist. Die zwei porösen
Elektroden 3, 5, die auf beiden Oberflächen der
Membran 1 angeordnet sind, sind aus Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffpapier
gebildet, das einen Katalysator aus Platin oder Platin und ein anderes
Metall enthält, und
sind derart positioniert, das die Oberflächen derselben, die den Katalysator
enthalten, mit der festen Polymer-Elektrolyt-Membran 1 in
Kontakt kommen.
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Jeder
der Separatoren 9, 11 ist aus einem dichten Kohlenstoffmaterial
oder aus einem Gasmaterial, das für Gas undurchdringlich ist,
hergestellt, wo ein Anodenseiten-Gasströmungspfad 17 für das Brennstoffgas
und ein Kathodenseiten-Gasströmungspfad 19 für das oxidierende
Gas jeweils auf der Oberfläche
von jedem Separator, zu der Membran-Elektroden-Anordnung 7 gegenüberliegend,
gebildet ist. Als ein Ergebnis des Ausbildens der Gasströmungspfade 17, 19 in
jedem der Separatoren 9, 11 ist eine Rippe 21 zwischen
einem Paar der Gasströmungspfade 17 gebildet
und eine Rippe 23 ist zwischen einem Paar der Gasströmungspfade 19 gebildet.
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Jeder
der Separatoren 9, 11 ist auch gebildet, um einen
Kühlwasserströmungspfad,
der nicht dargestellt ist, auf einer Oberfläche derselben gegenüberliegend
zu der Oberfläche,
wo der Gasströmungspfad 17, 19 gebildet
ist, zu haben. In dem kathodenseitigen Separator 11 ist
ein weiterer Kühlwasserpfad
vorgesehen, um Wärme,
die durch die Kathodenreaktion in der Brennstoffzelle entsteht,
zu entfernen. Die zuvor erwähnte
Brennstoffzelle wird in einem Stapelaufbau verwendet, der durch
Aufstapeln einer Mehrzahl von Zellen gemeinsam gebildet wird. Jeder
der Zellen ist aus einer Membran-Elektroden-Anordnung 7 und
einem Paar von Separatoren 9, 11 gebildet, die
auf beiden Oberflächen
derselben angeordnet sind. Der zuvor erwähnte Kühlwasserströmungspfad ist nicht notwendigerweise
für jede Zelle
vorgesehen. Jedoch wenn es erforderlich ist, mehr Wärme von
der Brennstoffzelle infolge der erhöhten Ausgangsleistung derselben
abzuleiten, wird es bevorzugt, soviel Kühlwasserströmungspfade wie möglich vorzusehen.
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In
der Brennstoffzelle mit dem zuvor erwähnten Stapelaufbau werden das
Brenngas und das oxidierende Gas von den jeweiligen Gaseinlässen der Brennstoffzelle
zugeführt,
in die jeweiligen Zellen derselben verteilt und von den jeweiligen
Gasauslässen
derselben nach außen
abgegeben.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist, wie in der 2 gezeigt, ein Vorsprung 25 auf
einer Mehrzahl von Rippen 21, die in dem anodenseitigen
Separator 9 vorgesehen sind, angeordnet. Der Vorsprung 25 ist
entlang der gesamten Länge
der Rippen 21 gebildet, in der Mitte der Breite w0 der
Rippe 21 auf der Oberseiten 218 derselben positioniert,
die in Kontakt mit der Membran-Elektroden-Anordnung 7 kommt. Die
Breite des Vorsprunges 25 wird als ein vorbestimmter Wert
w1 festgelegt und die Höhe
desselben wird als ein vorbestimmter Wert h1 festgelegt. Ein Spitzenabschnitt 25a des
Vorsprunges 25, der die poröse Elektrode 3 zusammendrückt, ist
gebildet, um eben zu sein.
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Wie
zuvor beschrieben wird, da der Vorsprung 25 auf der Rippe 21 des
anodenseitigen Separators 9 angeordnet ist, wenn die Membran-Elektroden-Anordnung 7 durch
die Separatoren 9, 11 dazwischengelegt wird, der
Abschnitt der porösen
Elektrode 3, wo der Vorsprung 25 in Kontakt kommt,
mit einer erhöhten
lokalen Beanspruchung darauf zusammengedrückt, bis er zerdrückt wird.
Als ein Ergebnis erhöht
sich der Widerstand für
das Brenngas, um durch den zusammengedrückten Abschnitt der porösen Elektrode 3 hindurchzugehen.
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Wenn
demzufolge solch ein Vorsprung 25 auf der Rippe 21 an
einem Ort vorgesehen ist, wo das Brenngas tendiert sich zwischen
einem Paar der Gasströmungspfade 17 über die
Rippe 21 kurzzuschließen,
wird das zugeführt
Brenngas geführt,
um entlang des Gasströmungspfades 17 zu
strömen, wodurch
das Brenngas gleichmäßig zu der
Reaktionsoberfläche
der porösen
Elektrode 3 verteilt wird. Demzufolge kann die Reaktionsoberfläche derselben effizient
verwendet werden, um dadurch die Leistung und die Brennstoffökonomie
der Brennzelle zu verbessern.
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Das
Vorsehen des Vorsprunges 25 auf der Rippe 21 verbessert
auch die Kontaktbedingung zwischen dem anodenseitigen Separator 9 und
der porösen
Elektrode 3, was den Kontaktwiderstand dazwischen reduziert,
sowie die relative Gleitbewegung zwischen dem anodenseitigen Separator 9 und
der porösen
Elektrode 3 in der Oberflächenrichtung derselben verhindert.
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Die 3 zeigt
ein Beispiel der Gasdiffusion innerhalb der porösen Elektrode des ersten Ausführungsbeispieles
verglichen mit dem Stand der Technik, der keinen Vorsprung auf der
Rippe hat. Es ist zu beachten, dass die Gasdiffusion in Abhängigkeit
von der Art der porösen
Elektrode, der Größe der Verbindungskraft
zwischen dem Separator und der porösen Elektrode und der Abmessung
und der Form des Vorsprunges variiert.
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In
dem ersten bereits oben erwähnten
Ausführungsbeispiel
ist die Höhe
(h1) des Vorsprunges 25 auf der Rippe 21 als 0,1
mm festgelegt und die Breite (w1) desselben ist mit 0,5 mm festgelegt.
Das Vorsehen des Vorsprunges in solch einer Abmessung auf der Rippe
reduziert, wenn mit dem Stand der Technik verglichen wird, effektiv
die Gasdiffusion innerhalb der porösen Elektrode, um dadurch eine Menge
von Kurzschlussgas zu reduzieren.
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4 ist
ein Querschnittsdarstellung einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispieles,
die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
zweiten Ausführungsbeispiel
ist ein Vorsprung 27, der zu dem Vorsprung 25,
gezeigt in dem ersten Ausführungsbeispiel,
identisch ist, auf einer Rippe 23 eines kathodenseitigen
Separators 11 vorgesehen. Die Komponenten in dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
die anders als der Vorsprung 27 sind, sind dieselben wie
diejenigen des ersten Ausführungsbeispieles.
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In
dem zweiten Ausführungsbeispiel
wird, da der Vorsprung 27 auf der Rippe 23 des
kathodenseitigen Separators 11 angeordnet ist, wenn die
Membran-Elektroden-Anordnung 7 durch
die Separatoren 9 und 11 dazwischengelegt ist,
der Abschnitt der porösen
Elektrode 5, wo der Vorsprung 27 auf der Rippe
in Kontakt damit kommt, mit einer erhöhten lokalen Beanspruchung
darauf zusammengedrückt,
bis er zerdrückt
wird. Als ein Ergebnis wird es verhindert, dass oxidierendes Gas
in einem Gasströmungspfad 19 in
den zusammengedrückten
Abschnitt der porösen
Elektrode 5 diffundiert, um dadurch die Strömung des
oxidierenden Gases entlang des Gasströmungspfades 19 zu
unterstützen.
Demzufolge kann das zweite Ausführungsbeispiel
dieselbe Wirkung wie das erste Ausführungsbeispiel erlangen.
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In
dem ersten und in dem zweiten Ausführungsbeispiel kann der Vorsprung 25 oder 27 entweder
auf der Rippe 21 des anodenseitigen Separators 9 oder
der Rippe 23 des kathodenseitigen Separators 11 vorgesehen
sein. Jedoch kann der Vorsprung auf beiden Rippen 21 und 23 vorgesehen
sein.
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Die
Installation des Vorsprunges 25 oder 27 auf einer
der Rippe 21 des anodenseitigen Separators 9 und
der Rippe 23 des kathodenseitigen Separators 11,
wie in dem ersten und in dem zweiten Ausführungsbeispiel, ermöglicht das
wahlweise Zurückhalten
der Diffusion des Brenngases in dem Gasströmungspfad 17 und des
oxidierenden Gases in dem Gasströmungspfad 19.
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Außerdem kann
entweder der anodenseitige Separator 9 oder der kathodenseitige
Separator 11 in einer Form ohne einen Vorsprung auf der
Rippe hergestellt werden und demzufolge können die Herstellungskosten
desselben im Vergleich mit dem Aufbau reduziert werden, wo die Vorsprünge auf
den Rippen auf beiden, also auf dem anodenseitigen Separator 9 und
dem kathodenseitigen Separator 11 angeordnet sind.
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Die 5 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines dritten
Ausführungsbeispieles,
die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem dritten
Ausführungsbeispiel
ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 29 auf
einer der Oberseiten 21e der Rippen 21 angeordnet,
die mit der Membran-Elektroden-Anordnung 7 in Kontakt kommen.
Jeder der Vorsprünge 29 erstreckt
sich in der Längsrichtung
der Rippen 21.
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel
kann die Mehrzahl der Vorsprünge 29 in
einem Fleck angeordnet werden, wo ein Reaktionsgas, das in einem
Gasströmungspfad 17 strömt, möglicherweise
einen weiteren benachbarten Gasströmungspfad 17 über die Rippe 21 kurzschließt. Demzufolge
können
die Herstellungskosten im Vergleich mit dem ersten oder dem zweiten
Ausführungsbeispiel
reduziert werden.
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel
wird der Vorsprung 29, der an dem anodenseitigen Separator 9 angewandt
wird, erläutert,
jedoch kann der Vorsprung 29 auch auf dem kathodenseitigen
Separator 11 oder sowohl auf dem anodenseitigen Separator 9, als
auch dem kathodenseitigen Separator 11 angewandt werden.
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In
den nachstehend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen werden Erläuterungen
für die
Anwendung des Vorsprunges hauptsächlich
auf den anodenseitigen Separator 9 gegeben. Jedoch kann
der Vorsprung auch auf den kathodenseitigen Separator 11 oder
auf sowohl die Separatoren 9 und 11, ähnlich zu
dem dritten Ausführungsbeispiel,
angewandt werden.
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Die 6 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 in
einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines
vierten Ausführungsbeispieles,
die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem vierten
Ausführungsbeispiel
ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 25 auf
allen Rippen 21 des anodenseitigen Separators 9 vorgesehen,
wo alle Vorsprünge 25 entlang
der Längsrichtung
der Rippen 21 gebildet sind.
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Die 7 ist
eine Draufsicht, die ein Muster der Gasströmungspfade 17a, 17b und 17c in
einem anodenseitigen Separator 9 einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
entsprechend eines fünften
Ausführungsbeispieles
zeigt, die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieses Gasströmungspfadmuster
ist etwas, was als serpentinenförmiger
Strömungspfad
bezeichnet wird, nämlich
ein sich windendes Gasströmungspfadbündel 31,
das aus einer Mehrzahl von parallelen Gasströmungspfaden 17a, 17b und 17c gebildet
ist. Eine Rippe 21b ist zwischen dem Gasströmungspfad 17a und
dem Gasströmungspfad 17b angeordnet
und eine Rippe 21c ist zwischen dem Gasströmungspfad 17b und
dem Gasströmungspfad 17c angeordnet. Eine
Rippe 21a ist außerhalb
des Gasströmungspfades 17a und
eine Rippe 21d ist außerhalb
des Gasströmungspfades 17c um
ein sich windendes Muster des Gastströmungspfadbündels 31 zu bilden.
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Die
Vorsprünge 33 sind
auf den Rippen 21a und 21d angeordnet, die gemeinsam
das Gasströmungspfadbündel 31 bilden.
Die kreuzgestrichelten Abschnitte in der 7 zeigen
die Positionen der Vorsprünge 33.
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In
dem fünften
Ausführungsbeispiel
sind die Vorsprünge 33 auf
den am weitesten außen
befindlichen Rippen 21a und 21d angeordnet, die
das Gasströmungspfadbündel 31 bilden,
um dadurch eine Leckage des Reaktionsgases von dem Gasströmungspfadbündel 31 nach
außen
zu vermeiden sowie ein Kurzschließen des Reaktionsgases aus
dem Gasströmungspfadbündel 31 über die
Rippen 21a und 21d in das benachbarte Gasströmungspfadbündel 31 zu
reduzieren.
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Durch
das Schaffen der Vorsprünge 33 auf den
Rippen 21a und 21d, so breit und so groß wie die stromabwärtige Seite
des Gasströmungspfades, kann
das Kurzschließen
des Reaktionsgases zwischen den Gasströmungspfadbündeln weiter sicher reduziert
werden.
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Die 8 zeigt
ein sechstes Ausführungsbeispiel,
das nicht alle Merkmale entsprechend der vorliegenden Erfindung
zeigt, wobei in einem serpentinenförmigen Strömungspfad, der zu dem der 7 identisch
ist, die Vorsprünge 35 auf
den Rippen 21a, 21b, 21c, 21d an
den Biegungsecken der Gasströmungspfade 17a, 17b, 17c angeordnet sind,
wo die Strömung
des Reaktionsgases darin ihre Richtung verändert. Die kreuzgestrichelten
Abschnitte in der 8 zeigen die Positionen der
Vorsprünge 35 auf den
Rippen 21a, 21b, 21c und 21d.
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In
dem zuvor erwähnten
sechsten Ausführungsbeispiel
kann das Kurzschließen
des Reaktionsgases zwischen den Gasströmungspfaden an den Biegungsecken
derselben reduziert werden, wo das Reaktionsgas wahrscheinlicher
sich kurzschließt.
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Die 9 zeigt
ein siebentes Ausführungsbeispiel,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt, das eine
Kombination des fünften Ausführungsbeispieles
in der 7 und des sechsten Ausführungsbeispieles in der 8 ist.
Entsprechend des siebenten Ausführungsbeispieles
kann eine Menge von kurzgeschlossenem Gas zwischen jedem der Gasströmungspfade
weiter reduziert werden, wenn mit den anderen Ausführungsbeispielen, die
in der 7 und der 8 gezeigt
sind, verglichen wird. Andererseits kann jedes der Ausführungsbeispiele
in der 7 und der 8 eine Menge
von kurzgeschlossenem Gas zwischen den Gasströmungspfaden effektiver mit
einer minimaleren Anzahl von Vorsprüngen 33, 35 reduzieren,
wenn mit dem siebenten Ausführungsbeispiel
verglichen wird.
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Die 10 ist
eine Draufsicht, die ein Muster eines Gasströmungspfades in einem anodenseitigen Separator 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines achten
Ausführungsbeispieles
zeigt, das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieses Strömungsmuster
ist aus einem Paar von zwischen-verteilten Gasströmungspfaden 17d und 17e gebildet.
Der Gasströmungspfad 17d ist
aus einem Hauptströmungspfad 37 gebildet,
der sich in der linken und in der rechten Richtung der 10 in
einem oberen Abschnitt des anodenseitigen Separators 9 erstreckt
und einer Mehrzahl von verzweigten Strömungspfaden 41, die sich
in der abwärtigen
Richtung in der 10 entlang der gesamten Länge des
Hauptströmungspfades 37 verzweigen.
Andererseits ist der Gasströmungspfad 17e aus
einem Hauptströmungspfad 39 gebildet,
der sich in der linken und in der rechten Richtung der 10 in
einem unteren Abschnitt des Separators 9 erstreckt und
einer Mehrzahl der verzweigten Strömungspfade 43, die
in der aufwärtigen
Richtung in der 10 entlang der gesamten Länge des
Strömungspfades 39 verzweigt
sind. Die jeweiligen verzweigten Strömungspfade 31, 43 sind
entlang der Längsrichtung
der Hauptströmungspfade 37, 39 alternierend
angeordnet. Das Paar der zwischen-verzweigten Gasströmungspfade
bildet somit das, was als ein zwischen-verzweigter Strömungspfad
bezeichnet wird.
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Eine
Rippe 45 ist zwischen den Gasströmungspfaden 17b und 17e mit
einer Form angeordnet, die in der 10 serpentinenförmig in
der aufwärtigen
und der abwärtigen Richtung
ist. Die geraden Rippen 47, 49 sind entlang der
oberen und der unterer Enden des anodenseitigen Separators 9 in der 10 vorgesehen
und die geraden Rippen 51, 53 sind entlang der
linken und rechten Enden desselben vorgesehen. In diesem zwischen-verzweigten Strömungspfad
fließt
ein Reaktionsgas in den Gasströmungspfad 17d von
einer Zuführungsöffnung 37a,
die zwischen dem linken Ende der Rippen 47 und dem oberen
Ende der linearen Rippe 51 vorgesehen ist, und das Reaktionsgas
innerhalb des Gasströmungspfades 17e strömt aus dem
Separator 9 aus einer Auslassöffnung 39a heraus,
die zwischen dem rechten Ende der Rippe 49 und dem unteren Ende
der Rippe 53 vorgesehen ist.
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Die
Vorsprünge 55, 57 sind
auf gewundenen Abschnitten der Rippe 45 an den Enden der
Verzweigungsströmungspfade 41, 43 vorgesehen.
Die Vorsprünge 59, 61 sind
jeweils auf einem Teil der geraden Rippe 53 an dem Ende
des Hauptströmungspfades 37 stromab
desselben angeordnet und auf einem Teil der geraden Rippe 51 an
dem Ende des Hauptströmungspfades 39 stromauf
desselben. Die kreuzgestrichelten Abschnitte in der 10 zeigen
die Positionen der Vorsprünge 55, 57 auf
der Rippe 45 und die Vorsprünge 59, 61 auf
den Rippen 53, 51.
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Da
die Vorsprünge 55, 57 jeweils
in Positionen angeordnet sind, wo das Reaktionsgas sich leicht von
den Enden der Verteilungsströmungspfade 41, 43 zu
den Hauptströmungspfaden 39, 37 kurzschließen kann,
sowie, da die Vorsprünge 59, 61 jeweils
in Positionen angeordnet sind, wo das Reaktionsgas leicht von den
Enden der Hauptströmungspfade 37, 39 nach
außen
lecken kann, kann eine Menge von kurzgeschlossenem Reaktionsgas
reduziert werden, und die Leckage des Reaktionsgases nach außen kann
verhindert werden.
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Die 11 zeigt
ein neuntes Ausführungsbeispiel,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In einem
zwischen-verzweigten Strömungspfad,
der zu dem in der 10 identisch ist, ist ein Vorsprung 63 auf
einer Rippe 45 zusätzlich
zu den Vorsprüngen 55, 57, 59 und 61 der 10 vorgesehen.
Der Vorsprung 63 ist gebildet, um von einem linken Ende
eines Vorsprunges 55 zu einem rechten Ende eines Vorsprunges 57 kontinuierlich
zu sein. Der Vorsprung 63 ist nämlich auf einem geraden Abschnitt
der Rippe 45 angeordnet, der sowohl eine Wand auf einer
Zuführungsöffnungsseite
(der linken Seite in der 11) des
Verzweigungsströmungspfades 41 von
dem Gasströmungspfad 17d als
auch eine Wand auf einer Auslassöffnungsseite (der
rechten Seite in der 11) des Verteilungsströmungspfades 43 von
dem Gasströmungspfad 17e bildet.
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Dadurch
kann ein Kurzschließen
des Reaktionsgases aus dem Verzweigungsströmungspfad 41 zum Zuführen von
Gas zu dem Verzweigungsströmungspfad 43 zum
Abgeben von Gas positioniert auf der Auslassöffnungsseite (der linken Seite
in der 11) verhindert werden. Die Strömung des
Reaktionsgases wird in einem Bereich der Rippe 45, wo kein
Vorsprung angeordnet ist, unterstützt und demzufolge kann sich
das Reaktionsgas verteilen und innerhalb einer porösen Elektrode 3 in
einer bestimmten Richtung gleichmäßig strömen.
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Die 12 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 in
einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines
zehnten Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem zehnten
Ausführungsbeispiel
ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 25 (zwei
Vorsprünge
in dem hierin gezeigten Ausführungsbeispiel)
auf einer der Rippen 21 angeordnet. Die jeweiligen Vorsprünge 25 sind
miteinander parallel entlang der Längsrichtung der Rippe 21 angeordnet.
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In
dem zehnten Ausführungsbeispiel
kann durch anordnen der Mehrzahl der Vorsprünge 25, also der Vorsprünge einer
porösen
Elektrode 3, wo die Mehrzahl der Vorsprünge 25 angeordnet
ist, leicht komprimiert werden und dadurch kann der Durchgang von
kurzgeschlossenem Gas durch die poröse Elektrode 3 sicher
und stabil reduziert werden.
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Die 13 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 in
einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines
elften Ausführungsbeispieles.
In dem elften Ausführungsbeispiel
ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen
(drei Vorsprünge
in diesem Ausführungsbeispiel) auf
der Rippe 21 miteinander parallel entlang der Längsrichtung
der Rippe 21 angeordnet und eine Höhe (h2) eines zentralen Vorsprunges 25a zwischen
den drei Vorsprüngen 25 ist
höher als
eine Höhe
(h3) der Vorsprünge 25b auf
beiden Seiten derselben. Jedoch können die beiden Vorsprünge 25b in der
Höhe (h3)
voneinander unterschiedlich sein.
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Die 14 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 in
einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines
zwölften
Ausführungsbeispieles.
In dem zwölften
Ausführungsbeispiel
ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 65a, 65b, 65c (drei
Vorsprünge
in diesem Ausführungsbeispiel)
entlang der Längsrichtung
der Rippe 21 daran angeordnet und eine Höhe (h4)
des Vorsprunges 65a, eine Höhe (h5) des Vorsprunges 65b und
eine Höhe
(h6) des Vorsprunges 65c ist voneinander unterschiedlich.
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In
der 13 und in der 14 sind
die jeweiligen Höhen
der Mehrzahl der Vorsprünge
voneinander unterschiedlich, aber die jeweiligen Breiten können auch
voneinander unterschiedlich sein, und sowohl die Höhen als
auch die Breiten können
voneinander verschieden sein.
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Wie
in dem elften Ausführungsbeispiel
und dem zwölften
Ausführungsbeispiel
beschrieben, ist zumindest entweder die Höhe oder die Breite der Mehrzahl
der Vorsprünge 25a, 25b und
die Vorsprünge 65a, 65b, 65c auf
der Rippe 21 von den anderen verschieden, um dadurch eine
wahlweise Einstellung einer Gasdiffusion innerhalb der porösen Elektrode 3 zu
ermöglichen.
Demzufolge kann in diesen Ausführungsbeispielen
eine Menge von kurzgeschlossenem Gas effizienter reduziert werden
als in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Hierin wird die Menge des kurzgeschlossenen Gases weiter reduziert,
da die Vorsprünge
größer oder
breiter werden. Und die Höhe und
die Breite von derartigen Vorsprüngen
kann in Anhängigkeit
von der Gasströmungsgeschwindigkeit in
dem Gasströmungspfad
verändert
werden.
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Die 15 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines dreizehnten
Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
dreizehnten Ausführungsbeispiel
verändert
sich eine Breite (w2) eines Vorsprunges 67, der auf einer Rippe 21 angeordnet
ist, kontinuierlich entlang der Längsrichtung der Rippe 21.
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Die 16 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines vierzehnten
Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
vierzehnten Ausführungsbeispiel
verändert
sich eine Höhe
(h7) eines Vorsprunges 69, der auf der Rippe 21 angeordnet
ist, kontinuierlich entlang der Längsrichtung der Rippe 21.
In dem dreizehnten Ausführungsbeispiel
und in dem vierzehnten Ausführungsbeispiel
verändert
sich eine Abmessung (zumindest entweder die Höhe oder die Breite) der Vorsprünge 67, 69 kontinuierlich,
um dadurch eine kontinuierliche und wahlweise Einstellung der Gasdiffusion
innerhalb der porösen
Elektrode 3 zu ermöglichen.
Demzufolge kann in diesen Ausführungsbeispielen
eine Menge des kurzgeschlossenen Gases effektiver reduziert werden
als in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die 17 ist
eine Querschnittsdarstellung einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend
eines fünfzehnten
Ausführungsbeispieles, das
nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem fünfzehnten
Ausführungsbeispiel
ist ein Vorsprung 71 auf einer Rippe 23 eines
kathodenseitigen Separators 11 angeordnet. Die Rippe 23 ist
gegenüberliegend
zu der Rippe 21 des anodenseitigen Separators 9 des
ersten Ausführungsbeispieles,
wo der Vorsprung 25 angeordnet ist, angeordnet. Der Vorsprung 71 auf
der Rippe 23 ist in der Form mit dem Vorsprung 25 auf
der Rippe 21 identisch.
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Entsprechend
des fünfzehnten
Ausführungsbeispieles
ist der Vorsprung 25 des anodenseitigen Separators 9 gegenüberliegend
zu dem Vorsprung 71 des kathodenseitigen Separators 11 angeordnet und
dadurch kann eine Menge des kurzgeschlossenen Gases in beiden porösen Elektroden 3, 5 reduziert
werden.
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Die 18 ist
eine Querschnittsdarstellung einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechenden
eines sechzehnten Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
sechzehnten Ausführungsbeispiel
werden ein Vorsprung 25 eines anodenseitigen Separators 9 und
ein Vorsprung 71 eines kathodenseitigen Separators 11 in
einer Richtung der Breite voneinander weg entlang einer Oberfläche einer Membran-Elektroden-Anordnung 7 verschoben.
Der Vorsprung 25 des Separators 9 wird von einem
Punkt gegenüberliegend
zu dem Vorsprung 71 des Separators 11 verschoben.
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Entsprechend
des sechzehnten Ausführungsbeispieles
kann eine Menge des kurzgeschlossenen Gases in beiden porösen Elektroden 3, 5 ähnlich zu
dem fünfzehnten
Ausführungsbeispiel
reduziert werden.
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Die 19 ist
eine Querschnittsdarstellung einer festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend
eines siebzehnten Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
siebzehnten Ausführungsbeispiel sind
zwei Vorsprünge 73 auf
einer Rippe 23 eines kathodenseitigen Separators 11 angeordnet.
Die Rippe 23 ist gegenüberliegend
zu einer Rippe 21 eines anodenseitigen Separators 9 positioniert,
wo der Vorsprung 25 daran gebildet ist. Die zwei Vorsprünge 73 sind
entlang der Längsrichtung
der Rippe 23 ähnlich zu
dem Vorsprung 25 gebildet und sind auf der Rippe 23 an
Positionen in einer Richtung der Breite der Rippe 23 angeordnet,
die beiden Seitenpositionen des Vorsprunges 25 auf der
Rippe 21 entspricht.
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Entsprechend
des zuvor erwähnten
siebzehnten Ausführungsbeispieles
können
die Abschnitte der porösen
Elektroden 3 und 5, die den zuvor erwähnten Vorsprüngen entsprechen,
mit größerer Bestimmtheit
zusammengedrückt
werden, um dadurch sicherer die Menge von kurzgeschlossenem Gas
zu reduzieren.
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Die 20 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines achtzehnten
Ausführungsbeispieles,
die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem achtzehnten
Ausführungsbeispiel
ist ein Vorsprung 75 auf einer Rippe 21 vorgesehen,
der sich entlang der Längsrichtung
der Rippe 21 erstreckt. Der Vorsprung 75 ist in
einer Dreiecksform im Querschnitt mit zwei geneigten Ebenen 75a, 75b gebildet, die
einander kreuzen, um einen Brückenabschnitt 75c zu
bilden, der mit einem linearen Bereich mit der porösen Elektrode 3 in
Kontakt kommt.
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Die 21 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines neunzehnten
Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
neunzehnten Ausführungsbeispiel
ist ein Vorsprung 77 auf einer Rippe 21 vorgesehen
und der erstreckt sich entlang einer Längsrichtung der Rippe 21.
Der Vorsprung 77 ist in einer Halbkreisform im Querschnitt
gebildet, der mit einer zylindrischen Oberfläche 77a, die mit einem
linearen Bereich mit der porösen
Elektrode 3 in Kontakt kommt.
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In
dem Fall des Auswählens
des Vorsprunges 75 mit der Dreiecksform im Querschnitt
kann die poröse
Elektrode 3 sicher mit einer kleinen Last zusammengedrückt werden
und andererseits kann in dem Fall des Auswählens des halbkreisförmigen Vorsprunges 77 eine übermäßige Konzentration
von Last auf der porösen
Elektrode 3 vermieden werden. Form und Größe, zum
Beispiel ein Krümmungsradius,
der Vorsprünge 75, 77 können zum
Formen geeignet eingestellt werden.
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Die 22 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines zwanzigsten
Ausführungsbeispieles,
die nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
zwanzigsten Ausführungsbeispiel
ist ein Vorsprung 79 auf einer Rippe 21 aus einem
Material hergestellt, das von dem des anodenseitigen Separators 9 verschieden
ist. Entsprechend des zwanzigsten Ausführungsbeispieles wird es möglich, einen
Separator in einer herkömmlichen
Form ohne Vorsprung auf einer Rippe 21 herzustellen und
danach den Vorsprung 79 auf der Rippe 21 zu bilden.
In diesem Fall ist es möglich,
die poröse
Elektrode 3 unter Verwendung eines Vorsprunges 79 darauf,
der aus flexiblem Material hergestellt ist, stabil zusammenzupressen.
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Die 23 ist
eine perspektivische Darstellung eines anodenseitigen Separators 9 einer
festen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle entsprechend eines einundzwanzigsten
Ausführungsbeispieles,
das nicht alle Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem
einundzwanzigsten Ausführungsbeispiel
ist eine Rippe 81 in dem Separator 9 größer entlang
der gesamten Breite desselben als die anderen Rippen 21 und
ein Spitzenabschnitt 81a derselben, der von dem Höhebezug
der anderen Rippen 21 vorspringt, der als ein Vorsprung
der Rippe 81 verwendet wird. Dadurch kann eine Menge von
kurzgeschlossenem Gas, ähnlich
zu dem ersten Ausführungsbeispiel,
reduziert werden.
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In
einer Brennstoffzelle entsprechend eines vorherigen Ausführungsbeispieles
ist zumindest eine der Rippen 21, 23, die auf
den Separatoren 9 und 11 gebildet sind, die eine
Membran-Elektroden-Anordnung 7 der Brennstoffzelle dazwischengelegt
hat, gebildet, um an ihrer Spitze einen Vorsprung 25 zu
haben, der einen Teil der porösen
Elektroden 3, 5 der Membran-Elektroden-Anordnung 7 zusammendrückt und
zusammenpresst, wenn die Membran-Elektroden-Anordnung 7 mit
den Separatoren 9, 11 dazwischengelegt wird, um
dadurch den Gasdurchgang durch den zusammengepressten Teil der porösen Elektroden 3, 5 zu
begrenzen. Der Kurzschluss von Gas zwischen den Gasströmungspfaden 17, 19 wird somit
verhindert und somit eine gleichmäßige Gasbeförderung durch die gesamten
porösen
Elektroden 3, 5 sicherzustellen mit den Reaktionsoberflächen derselben,
die effektiv verwendet werden. Demzufolge werden die Leistung und
die Brennstoffökonomie der
Brennstoffzelle verbessert. Demzufolge ist das Ausführungsbeispiel
für eine
Anwendung einer Brennstoffzelle nützlich.