DE60225237T2

DE60225237T2 - Platzsparende Bipolarplatte und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE60225237T2
Application number: DE60225237T
Authority: DE
Inventors: Narutoshi Wako-shi Sugita; Seiji Wako-shi SUGIURA; Masajiro Wako-shi Inoue; Hideaki Wako-shi KIKUCHI
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP3868810B2; EP1324416A3; EP1324416A2; US6841282B2; US20030129466A1; EP1324416A8; JP2003197222A; EP1324416B1; DE60225237D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, die durch Aufnahme einer Elektrodenanordnung zwischen einem Paar von Separatoren gebildet sind.
Beschreibung der verwandten Technik
Unter Brennstoffzelleneinheiten gibt es einen Typ, der in einer Plattenform ausgebildet ist, in dem zwischen einem Paar von Separatoren eine Elektrodenanordnung aufgenommen wird, die durch Anordnung einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode jeweils auf einer Seite einer Festpolymerelektrolytmembrane gebildet wird. Eine Brennstoffzelle wird gebildet, indem in der Dickenrichtung der Brennstoffzelleneinheiten eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die auf diese Weise strukturiert sind, gestapelt wird.
In jeder Brennstoffzelleneinheit ist eine Strömungspassage für Brenngas (zum Beispiel Wasserstoff) auf der Oberfläche des anodenseitigen Separators vorgesehen, der zur Anodenelektrode weisend angeordnet ist, und es ist eine Strömungspassage für Oxidationsgas (zum Beispiel sauerstoffhaltige Luft) auf der Oberfläche des kathodenseitigen Separators vorgesehen, der zur Kathodenelektrode weisend angeordnet ist. Zusätzlich ist eine Strömungspassage für ein Kühlmedium (zum Beispiel reines Wasser) zwischen benachbarten Separatoren benachbarter Brennstoffzelleneinheiten vorgesehen.
Wenn der Elektrodenreaktionsoberfläche der Anodenelektrode Brenngas zugeführt wird, wird hier der Wasserstoff ionisiert und bewegt sich durch die Festpolymerelektrolytmembrane zur Kathodenelektrode. Die während dieser Reaktion erzeugten Elektroden werden zu einer externen Schaltung abgeführt und als elektrische Gleichstromenergie genutzt. Weil der Kathodenelektrode Oxidationsgas zugeführt wird, reagieren die Wasserstoffionen, Elektroden und der Sauerstoff unter Erzeugung von Wasser. Weil Wärme erzeugt wird, wenn das Wasser an der Elektrodenreaktionsoberfläche erzeugt wird, wird die Elektrodenreaktionsfläche durch ein Kühlmedium gekühlt, das zwischen die Separatoren fließen gelassen wird.
Das Brenngas, das Oxidationsgas (allgemein als Reaktionsgas bekannt) und das Kühlmedium müssen jeweils durch eine separate Strömungspassage fließen. Daher ist eine Dichttechnik wesentlich, die in jeder Strömungspassage in einem fluiddichten oder luftdichten Zustand abgedichtet hält.
Beispiele von Abschnitten, die abgedichtet werden müssen, sind: Die Umfänge von Durchgangs-Zufuhrkanälen, die ausgebildet sind, um Reaktionsgas und Kühlmedium jeder Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffzelle zuzuführen und dort zu verteilen; die Umfänge von Ausgabekanälen, die das Reaktionsgas des Kühlmediums, die von jeder Brennstoffzelleneinheit ausgegeben wurden, zu sammeln und auszugeben; die Außenumfänge der Elektrodenanordnungen; und die Außenumfänge zwischen den Separatoren benachbarter Brennstoffzelleneinheiten. Als das Material für das Dichtelement wird organischer Gummi verwendet, der noch weich ist und die geeignete Elastizität oder dergleichen hat.
In den letzten Jahren sind jedoch Größe und Gewichtsreduktion sowie eine Reduktion in den Kosten der Brennstoffzellen ein Haupthindernis beim Fortschritt zu einer weiter verbreiteten Anwendung von Brennstoffzellen geworden, obwohl sie im realen Fahrzeug angebracht wurden.
Es sind Verfahren erdacht worden, um die Größe einer Brennstoffzelle zu reduzieren, einschließlich jede Brennstoffzelleneinheit, die die Brennstoffzelle bildet, dünner zu machen, insbesondere die Größe des Abstands zwischen den Separatoren zu reduzieren, während eine Maximalgröße für die Reaktionsgas-Strömungspassage, die innerhalb jeder Brennstoffzelleneinheit gebildet ist, eingehalten wird; und auch, die Separatoren dünner zu machen.
Jedoch ergibt durch die Festigkeitsanforderungen für jeden Separator und die Steifigkeitsanforderungen für die Brennstoffzelle eine Grenze dahingehend, wie dünn die Separatoren gemacht werden können. Die Reduktion der Dichtungselemente ist wirkungsvoll, die Größe des Abstands zwischen den Separatoren zu reduzieren, wobei aber die Höhe der Dichtungselemente ausreichend sein muss, damit die Dichtungselemente ausreichend zusammengedrückt werden können, um sicherzustellen, dass die erforderliche Dichtleistung erhalten wird. Daher gibt es auch eine Grenze dahingehend, wie weit die Höhe der Dichtungselemente reduziert werden kann.
Obwohl ferner in einer Brennstoffzelleneinheit das von den Dichtungselementen belegte Volumen unvermeidbar ist, um das Reaktionsgas und das Kühlmedium abzudichten, muss dies so klein wie möglich gemacht werden, weil dieser Raum im Wesentlichen nichts zur Stromerzeugung beiträgt.
35 ist eine Draufsicht, die eine herkömmliche Brennstoffzelle zeigt. In 35 bezeichnet das Symbol 107 einen Verbindungskanal, wie etwa einen Brenngas-Zuführkanal und -Ausgabekanal, einen Oxidationsgas-Zuführkanal und -Ausgabekanal, einen Kühlmedium-Zufuhrkanal und -Ausgabekanal, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel 106 in der Richtung durchsetzt, in der die Separatoren 109 und 110 gestapelt sind. Das Symbol 112 bezeichnet eine Fläche, die durch eine Mehrzahl von Brenngas-Strömungspassagen, Oxidationsgas-Strömungspassagen und Kühlmedium-Strömungspassagen gebildet ist, die entlang den Separatoren 109 und 110 verlaufen.
36 ist eine Längs-Querschnittsansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels 106 entlang der Linie F-F in 35. Um, wie in Draufsicht ersichtlich, das von dem Dichtungselement belegte Volumen, das nicht zur Stromerzeugung beiträgt, so klein wie möglich zu machen, werden die Außenabmessungen in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 106 herkömmlich dadurch minimiert, dass die Gasdichtungselemente 102 und 103, die jeweils eine Brenngas-Strömungspassage 100 und eine Oxidationsgas-Strömungspassage 101 abdichten, zusammen mit einem Kühloberflächen-Dichtungselement 104, das eine Kühlmedium-Strömungspassage abdichtet, in Reihenausrichtung in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten 105 lokalisiert werden.
Jedoch ist der Nachteil mit dem Brennstoffzellenstapel 106, der auf diese Weise strukturiert ist, der, dass dann, wenn die Gasdichtungselemente 102 und 103, die die Strömungspassagen 100 und 101 abdichten, sowie das Kühloberflächen-Dichtungselement 104 alle in einer Reihe in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 105 angeordnet werden, dann die Dicke des Brennstoffzellenstapels 106 nicht kleiner gemacht werden kann als ein Wert, den man erhält, indem die Höhe des Kühloberflächen-Dichtungselements 104 zu der minimalen Dicke jeder Brennstoffzelleneinheit 105 addiert wird, und dieses Ergebnis mit der Anzahl der in der Brennstoffzelle gestapelten Brennstoffzelleneinheiten multipliziert wird.
Um dies genauer zu erläutern, geht die Diskussion zu 36 zurück. Gemäß 36 sind der Brenngas-Zuführkanal 107 und die Brenngas- Strömungspassage 100, die durch die Gasdichtungselemente 102 und 103 und durch das Kühloberflächen-Dichtungselement 104 im abgedichteten Zustand isoliert sind, durch einen Verbindungsweg 108 verbunden. Der Verbindungsweg 108 ist in dem Separator 109 so vorgesehen, dass er der Dickenrichtung des Separators 109 um das Gasdichtungselement 102 herum läuft, das den Gesamtumfang der Brenngas-Strömungspassage 100 abdichtet. Darüber hinaus hat der Separator 110 einen ähnlichen Verbindungsweg (nicht gezeigt) in der Nähe des Oxidationsgas-Verbindungskanals (nicht gezeigt).
Dementsprechend ist jeder der Separatoren 109 und 110 relativ dick ausgebildet, um den Verbindungsweg 108 zu bilden; jedoch sind, wie im Querschnitt in 36 zu sehen, an der Position der Dichtungslinie, wo jedes der Dichtungselemente 102 und 104 angeordnet wird, die Separatoren 109 und 110 mit der minimalen Dicke ausgebildet, die zum Sicherstellen der erforderlichen Festigkeit notwendig ist, und es ist nicht möglich, diese noch dünner zu machen.
Weil darüber hinaus jedes der Dichtungselemente 102 und 104 mit der minimalen Höhe ausgebildet ist, die zum Sicherstellen der Dichtleistung erforderlich ist, ist es nicht möglich, die Höhe der Dichtungselemente 102 bis 104 noch weiter zu reduzieren.
Obwohl sich die Dicke des Brennstoffzellenstapels 106 ergibt durch Multiplizieren der Stapelzahl mit der Summe der minimalen Dicke der zwei Separatoren 109 und 110, der Dicke, die zur Bildung des Verbindungswegs 108 erforderlich ist, der Höhe der zwei Gasdichtungselemente 102 und 103, der Dicke der Festpolymer-Elektrolytmembrane 111 und der Höhe des Kühloberflächen-Dichtungselements 104, ist es im Ergebnis extrem schwierig, irgend eine weitere Dickenreduktion zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände erdacht, und es ist ihre Aufgabe, eine Brennstoffzelle anzugeben, die leichter und kleiner gemacht werden kann, indem deren Dicke in der Stapelrichtung reduziert wird, während die jeweiligen Strömungswege unter Verwendung der jeweiligen Dichtungselemente zwischen den Separatoren und der Elektrodenanordnungen, die die Brennstoffzelle bilden, zuverlässig abgedichtet werden.
Die EP 0 940 868 A2 offenbart Separatorplatten, die eine abnehmende Anzahl von Gaskanälen von dem Gaseinlass zu dem Gasauslass aufweisen, um die Gasströmungsrate und die Konzentration des Reaktionsgases und damit zu halten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung der obigen Probleme sieht ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brenstoffzelleneinheiten aufweisende Brennstoffzelle vor, wobei die Brennstoffzelleneinheiten gestapelt sind und zwischen sich zumindest eine Kühlmedium-Strömungspassage aufweisen und wobei die Kühlmedium-Strömungspassage durch ein Kühloberflächen-Dichtungselement abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit umfasst: eine Elektrodenanordnung, die durch Anordnen von Elektroden auf beiden Seiten eines Elektrolyten ausgebildet ist; ein Paar von Separatoren, die die Elektrodenanordnung in deren Dickenrichtung zwischen sich aufnehmen; und Gasdichtungselemente, die an einem Außenumfangsabschnitt der Elektrodenanordnung angeordnet sind und die jeweilige Reaktionsgas-Strömungspassagen abdichten, die zwischen jedem Separator und der Elektrodenanordnung ausgebildet sind und die durch die Separatoren und die Elektrodenanordnung eingegrenzt sind, worin in jedem der Separatoren Reaktionsgas-Verbindungskanäle und Kühlmedium-Verbindungskanäle, die auswärts von den Gasdichtungselementen vorgesehen sind, sowie Reaktionsgas-Verbindungswege, die um die Gasdichtungselemente in der Dickenrichtung der Separatoren herum gehen und die Reaktionsgas-Verbindungskanäle mit den Reaktionsgas-Strömungspassagen verbinden, vorgesehen sind, worin die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung zueinander versetzt sind, und worin in zumindest einem der Separatoren konvexe Abschnitte vorgesehen sind, die von Rückseiten der Reaktionsgas-Verbindungswege zumindest über einen Bereich, der den Reaktionsgas-Verbindungswegen entspricht, vorstehen.
Weil gemäß der wie oben aufgebauten Brennstoffzelle die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten gebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie in Betrachtung in der Stapelrichtung relativ zueinander versetzt sind, können die Gasdichtungselemente der benachbarten Brennstoffzelleneinheit bei Betrachtung in der Stapelrichtung von einer Position dort, wo die Reaktionsgas-Verbindungsweg der oben erwähnten einen Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, versetzt angeordnet werden. Im Ergebnis ist es nicht notwendig, ausreichend Platz zur Bildung der Reaktionsgas-Verbindungswege in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit an einer Position sicherzustellen, die den Reaktionsgas-Verbindungswegen entspricht, die in der oben erwähnten Brennstoffzelleneinheit gebildet sind. Daher ist das Vorsehen konvexer Abschnitte, die über zumindest einen Bereich vorstehen, der den Reaktionsgas-Verbindungswegen in dem Separator der oben erwähnten einen Brennstoffzelleneinheit entspricht, möglich, die Fläche dort, wo Reaktionsgas-Verbindungswege der oben erwähnten einen Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, zu in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit hin zu verschieben. Dementsprechend kann die Dicke der Brennstoffzelleneinheit an dem Bereich, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege gebildet sind, um den auf diese Weise eingesparten Betrag reduziert werden.
Zusätzlich kann in einem Fall, in dem ein zweiter Separator einen ersten Separator kontaktiert, in dem sich die Reaktionsgas-Verbindungswege befinden, der oben erwähnte konvexe Abschnitt an dem zweiten Separator gebildet werden, indem darin ein konkaver Abschnitt ausgebildet wird, der den an der Rückseite der Reaktionsgas-Verbindungswege in dem ersten Separator gebildeten konvexen Abschnitt aufnimmt.
Ferner kann in einem Fall, in dem ein zweiter Separator einen ersten Separator nicht kontaktiert, in dem sich die Reaktionsgas-Verbindungswege befinden, der oben erwähnte konvexe Abschnitt an dem ersten Separator ausgebildet werden, indem die Rückseite der Reaktionsgas-Verbindungswege vorstehend gemacht wird.
Weil in einer Brennstoffzelle viele, wie etwa einige hundert Brennstoffzelleneinheiten gestapelt werden können, ist es möglich, eine merkliche Größenreduktion der Brennstoffzelle insgesamt zu erzielen, je nachdem, wie viele Einheitszellen, deren jeweilige Dicke reduziert worden ist, gestapelt werden. Insbesondere sind in einem Fall, in dem die Kühlmedium-Strömungspassagen nicht für jede Brennstoffzelleneinheit vorgesehen sind, sondern für jede Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten, die Kühloberflächen-Dichtungselemente zwischen jenen Brennstoffzelleneinheiten nicht notwendig, die nicht mit der Kühlmedium-Strömungspassage versehen sind. Zusätzlich kann eine weitere Dickenreduktion des gesamten Brennstoffzellenstapels vorteilhaft erreicht werden.
In einer Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sein, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in der Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen zueinander versetzt sind.
Gemäß der oben aufgebauten Brennstoffzelle ist es nicht notwendig, eine Dicke sicherzustellen, die zur Bildung der Reaktionsgas-Verbindungswege in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit an Positionen ausreicht, die, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, den in der anderen Brennstoffzelleneinheit ausgebildeten Reaktionsgas-Verbindungswegen entsprechen. Darüber hinaus ist es möglich, die Reaktionsgas-Verbindungswege in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit so auszubilden, dass sie, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, von der Elektrodenanordnung der anderen Brennstoffzelleneinheit außerhalb angeordnet sind. Dementsprechend wird es möglich, das Gasdichtungselement der benachbarten Brennstoffzelleneinheit, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, so anzuordnen, dass es von den Reaktionsgas-Verbindungswegen, die in der anderen Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, versetzt ist, und außerhalb von der Elektrodenanordnung der anderen Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Die Abschnitte in der anderen Brennstoffzelleneinheit, die bei Betrachtung in der Stapelrichtung den Reaktionsgas-Verbindungswegen entsprechen, die in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, öffnen sich zu den Reaktionsgas-Verbindungskanälen. Wenn die Dimensionen der oben erwähnten Abschnitte ausreichend sind, um die Reaktionsgase in Bezug auf die Elektrodenanordnung fließen zu lassen, kann der Abschnitt dort, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet werden, dass sie in der Stapelrichtung über die Ebene der Elektrodenanordnung der anderen Brennstoffzelleneinheit vorstehen; somit wird es möglich, die Dicke des Brennstoffzellenstapels um den auf diese Weise eingesparten Betrag zu reduzieren.
In einer Brennstoffzelle gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sein, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in Richtung orthogonal zu der Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen zueinander versetzt sind.
Eine Brennstoffzelle gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden können die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sein, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in einer diagonalen Richtung in Bezug auf die Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen zueinander versetzt sind.
Weil gemäß der Brennstoffzelle des obigen dritten oder vierten Aspekts die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie in Bezug aufeinander in einer Richtung versetzt sind, welche die Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen zu den Reaktionsgas-Strömungskanälen schneidet, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, ist es nicht notwendig, eine ausreichende Dicke sicherzustellen, um die Reaktionsgas-Verbindungswege in der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten an Positionen auszubilden, die, bei Betrachtung in der Stapelrichtung den Reaktionsgas-Verbindungswegen entsprechen, die in der anderen Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind. Darüber hinaus ist es in einem Fall, in dem die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie in Bezug aufeinander in der Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen weiter versetzt sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, möglich, das Gasdichtungselement der benachbarten Brennstoffzelleneinheit, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, so anzuordnen, dass es von den in der anderen Brennstoffzelleneinheit ausgebildeten Reaktionsgas-Verbindungswegen versetzt ist, und so, dass es auswärts von der Elektrodenanordnung der anderen Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Die Abschnitte in der anderen Brennstoffzelleneinheit, entsprechend den Reaktionsgas-Verbindungswegen, die in der in der Stapelrichtung bei Betrachtung in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, öffnen sich nicht zu den Reaktionsgas-Verbindungskanälen. Wenn daher die Dimensionen der oben erwähnten Abschnitte ausreichend sind, um die elektrische Isolationseigenschaft davon sicherzustellen, können die Reaktionsgas-Verbindungswege in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit so angeordnet werden, dass sie über die Ebene der Elektrodenanordnung der anderen Brennstoffzelleneinheit vorstehen; somit wird es möglich, die Dicke des Brennstoffzellenstapels um den auf diese Weise eingesparten Betrag zu reduzieren. Wenn dementsprechend die Dimensionen, die zum Sicherstellen der elektrischen Isolationseigenschaft erforderlich sind, kleiner sind als die Dimensionen, die erforderlich sind, um den Reaktionsgasfluss in Bezug auf die Elektrodenanordnung sicherzustellen, ist es möglich, die Dicke des Brennstoffzellenstapels weiter zu reduzieren als in dem Fall des Brennstoffzellenstapels gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
In einer Brennstoffzelle gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Kühloberflächen-Dichtungselement, das die Kühlmedium-Strömungspassage von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen abdichtet, so angeordnet sein, dass es von den Reaktionsgas-Verbindungswegen zu den Reaktionsgas-Verbindungskanälen versetzt ist.
Weil gemäß der wie oben aufgebauten Brennstoffzelle das Kühloberflächen-Dichtungselement, das die Kühlmedium-Strömungspassage abdichtet, so angeordnet ist, dass von den Reaktionsgas-Verbindungswegen zu den Reaktionsgas-Verbindungskanälen hin versetzt ist, können die Verbindungswege und das Kühloberflächen-Dichtungselement so angeordnet werden, dass sie bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung überlappen, das heißt sie können im Wesentlichen in der selben Ebene angeordnet werden. Im Ergebnis kann die Dicke jeder Brennstoffzelleneinheiten um den durch die Überlappung eingesparten Betrag reduziert werden.
In einem einer Brennstoffzelle gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Kühloberflächen-Dichtungselement bei Betrachtung in der Stapelrichtung im Wesentlichen an der gleichen Position wie die Gasdichtungselemente angeordnet sein, außer in der Nähe der Reaktionsgas-Verbindungswege.
Gemäß der wie oben aufgebauten Brennstoffzelle sind das Gasdichtungselement und das Kühloberflächen-Dichtungselement nicht in der selben Dichtlinie angeordnet, indem das Kühloberflächen-Dichtungselement so angeordnet wird, dass es zu den Reaktionsgas-Verbindungskanälen in der Nähe der Reaktionsgas-Verbindungswege dort versetzt wird, wo der Separator dick genug sein muss, um die Reaktionsgas-Verbindungswege unterzubringen, die um die Gasdichtungselemente in der Dickenrichtung des Separators herum laufen, wohingegen in der anderen Position als in der Nähe der Reaktionsgas-Verbindungswege, das Kühloberflächen-Dichtungselement und das Gasdichtungselement, bei Betrachtung in der Stapelrichtung in einer Reihe angeordnet sind, wodurch es möglich wird, die Querschnittsfläche der Brennstoffzelleneinheiten zu reduzieren. Indem man ferner die Dichtlinien in Bezug aufeinander versetzt macht, wird es möglich, das Kühloberflächen-Dichtungselement und die Verbindungswege im Wesentlichen in derselben Ebene anzuordnen. Dementsprechend kann die Dicke des Brennstoffzellenstapels reduziert werden, indem das Kühloberflächen-Dichtungselement und die Gasdichtungselemente in der Stapelrichtung eng beieinander angeordnet werden.
In einer Brennstoffzelle gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in zumindest einem der Separatoren, der mit einem anderen Separator in Kontakt steht, der mit einem konvexen Abschnitt versehen ist, der von der Rückseite des Reaktionsgas-Verbindungswegs über zumindest einen Bereich, der dem Reaktionsgas-Verbindungsweg entspricht, vorsteht, in konkaver Abschnitt vorgesehen sein, der den konvexen Abschnitt aufnimmt.
Gemäß der wie oben aufgebauten Brennstoffzelle kann eine weitere Reduktion in der Dicke des gesamten Brennstoffzellenstapels vorteilhaft erzielt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Brennstoffzelleneinheit zeigt, die den Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
2 ist auch ein schematisches Diagramm, das die Brennstoffzelleneinheit zeigt, die den Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
3 ist eine Draufsicht, die eine Elektrodenanordnung zeigt, welche die in den 1 und 2 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
4 ist eine Draufsicht, die einen Separator zeigt, der die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
5 ist eine Draufsicht, die einen andere Separator zeigt, der die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
6A ist eine Draufsicht, die die Rückseite des in 5 gezeigten Separators zeigt, und 6B ist eine Draufsicht, die die Rückseite des in 4 gezeigten Separators zeigt.
7 ist eine Draufsicht, die ein Gasdichtungselement zeigt, das die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
8 ist eine Draufsicht, die eine Brennstoffzelleneinheit zeigt, die dem Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten oder zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
9 ist auch eine Draufsicht, die die Brennstoffzelleneinheit zeigt, die den Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten oder zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
10 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem das in 9 gezeigte Gasdichtungselement auf der in 3 gezeigten Elektrodenanordnung vorgesehen ist.
11 ist eine Draufsicht, die die Brennstoffzelleneinheit zeigt, die dem Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten oder zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
12 ist auch eine Draufsicht, die die Brennstoffzelleneinheit zeigt, die dem Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten oder zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
13 ist eine Draufsicht, die ein Kühlflächendichtungselement zeigt, das die in 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.
14 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem das in 13 gezeigte Kühlflächen-Dichtungselement auf dem in 6A oder 6B gezeigten Separator vorgesehen ist.
15A und 15B sind Draufsichten, die eine Brennstoffzelleneinheit zeigen, die den Brennstoffzellenstapel gemäß dritten und vierten Ausführungen der vorliegenden Erfindung bildet.
16A und 16B sind Draufsichten, die eine Brennstoffzelleneinheit zeigen, die den Brennstoffzellenstapel gemäß dritten und vierten Ausführungen der vorliegenden Erfindung bildet.
17A und 17B sind Draufsichten, die eine Brennstoffzelleneinheit zeigen, die den Brennstoffzellenstapel gemäß fünften und sechsten Ausführungen der vorliegenden Erfindung bildet.
18A und 18B sind auch Draufsichten, die die Brennstoffzelleneinheit zeigt, die den Brennstoffzellenstapel gemäß den fünften und sechsten Ausführungen der vorliegenden Erfindung bildet.
19A ist eine Längs-Querschnittsansicht, welche die Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführung zeigt, entlang der Linie A-A in 8, und 19B ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie D-D in 9.
20A ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführung zeigt, entlang der Linie B-B in 8, und 20B ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie E-E in 9.
21 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die den in 1 gezeigten Brennstoffzellestapel zeigt, entlang der Linie C-C in 8.
22 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die den in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel zeigt, entlang der Linie F-F in 8.
23 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die den in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel zeigt, entlang der Linie G-G in 11.
24A und 24B sind Längs-Querschnittsansichten, die die zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen, entsprechend den 19A und 19B, die die erste Ausführung zeigen.
25 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, entsprechend 19A, die die erste Ausführung zeigt.
26 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, entsprechend 20A, die die erste Ausführung zeigt.
27 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, entsprechend 25, die die dritte Ausführung zeigt.
28A und 28B sind Längs-Querschnittsansichten, die die fünfte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen, entsprechend den 19A und 19B, die die erste Ausführung zeigen.
29A und 29B sind Längs-Querschnittsansichten, die die fünfte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen, entsprechend den 20A und 20B, die die erste Ausführung zeigen.
30A und 30B sind Längs-Querschnittsansichten, die die sechste Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen, entsprechend den 28A und 28B, die die fünfte Ausführung zeigen.
31A und 31B sind Längs-Querschnittsansichten, die die siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen, entsprechend den 19A und 19B, die die erste Ausführung zeigen.
32A und 32B sind Längs-Querschnittsansichten, die die siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen, entsprechend den 20A und 20B, die die erste Ausführung zeigen.
33 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, entsprechend 21, die die erste Ausführung zeigt.
34 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, entsprechend 22, die die erste Ausführung zeigt.
35 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Brennstoffzelleneinheit in einer herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt.
36 ist eine Längs-Querschnittsansicht, die die Nachbarschaft eine Brenngas-Verbindungskanals in der herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Nun wird der Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung im Detail in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Der Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Ausführung wird gebildet, indem abwechselnd eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B jeweils so gestapelt werden, wie in den 1 und 2 gezeigt. In der folgenden Beschreibung werden Erläuterungen für die Strukturen der Brennstoffzelleneinheit 2B, die mit der Brennstoffzelleneinheit 2A gemeinsam sind, weggelassen, so lange dies angemessen ist. Wie in 1 gezeigt, ist eine Brennstoffzelleneinheit 2A gebildet, indem eine Elektrodenanordnung 3 zwischen einem Paar von Separatoren 4A (Anodenseite) und 5A (Kathodenseite) aufgenommen wird. Wie in 2 gezeigt, wird eine Brennstoffzelleneinheit 2B gebildet, indem eine Elektrodenanordnung 3 zwischen einem Paar von Separatoren 4B (Anodenseite) und 5B (Kathodenseite) aufgenommen wird. Zwischen der Elektrodenanordnung 3 und jedem der Separatoren 4A und 5A sind jeweilige Gasdichtungselemente 6A und 7A angeordnet. Darüber hinaus sind, zwischen der Elektrodenanordnung 3 und jedem der Separatoren 4B und 5B jeweilige Gasdichtungselemente 6B und 7B angeordnet. Wie nachfolgend im Detail erläutert wird, begrenzt diese Gasichtungselemente 6 (6A und 6B) und 7 (7A und 7B) eine Brenngas-Strömungspassage 8 und eine Oxidationsgas-Strömungspassage 9, um diese an jeder Seite der Elektrodenanordnung 3 abzudichten.
Wie in 3 gezeigt, hat die Elektrodenanordnung 3 zum Beispiel eine Festpolymer-Elektrolytmembrane 10 (nachfolgend einfach als Elektrolytmembrane bezeichnet), die aus Perfluorsulfonatpolymer gebildet ist, sowie eine Anodenelektrode 11 und eine Kathodenelektrode 12, die zwei Oberflächen der Elektrolytmembrane 10 zwischen sich aufnehmen.
Wie in 3 gezeigt, hat die Elektrolytmembrane 10 zum Beispiel eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 10A. Die Größe der Elektrolytmembrane 10 entspricht jener der Separatoren 4 (4A und 4B) und 5 (5A und 5B), und jedes der Durchgangslöcher 10A ist an einer Position angeordnet, die den jeweiligen Zufuhrkanälen 17 bis 19 und den jeweiligen Ausgabekanälen 20 bis 22 der Separatoren 4 und 5 entspricht.
Die Anodenelektrode 11 und die Kathodenelektrode 12 werden zum Beispiel dadurch aufgebaut, dass Katalysatorschichten, die aus einer Legierung gebildet sind, die als den Hauptbestandteil Pt (Platin) aufweist, auf einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht gestapelt werden, die aus porösem Kohlenstofftuch oder porösem Kohlenstoffpapier gebildet ist, die mit der Elektrolytmembrane 10 in Kontakt steht.
Jeder der Separatoren 4 und 5, die die Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B bilden, ist gebildet aus: gewellten Abschnitten 4a oder 5a, die aus einer Mehrzahl von Vertiefungen und Höckern aufgebaut sind, die eine feste Höhe haben, und in einem festen Muster ausgebildet sind, in dem eine Mehrzahl von Nuten 13 bis 15 (siehe 22) in einer Oberfläche einer aus Kohlenstoff hergestellten flachen Platte ausgeschabt wird; einem Brenngaszufuhrkanal (Reaktionsgas-Verbindungskanal) 17, einem Oxidationsgas-Zufuhrkanal (Reaktionsgas-Verbindungskanal) 18, einem Kühlmedium-Zufuhrkanal (Kühlmedium-Verbindungskanal) 19, einem Brenngasausgabekanal (Reaktiongas-Verbindungskanal) 20, einem Oxidationsgas-Ausgabekanal (Reaktionsgas-Verbindungskanal) 21 sowie einem Kühlmedium-Ausgabekanal (Kühlmedium-Verbindungskanal) 22, die jeweils die Separatoren 4 und 5 durchsetzen, um so die Zufuhr als auch die Ausgabe von Brenngas (zum Beispiel Wasserstoffgas), Oxidationsgas (zum Beispiel sauerstoffhaltige Luft) und Kühlmedium (zum Beispiel reines Wasser) jeweils möglich wird, welche durch die gewellten Abschnitte 4a oder 5a fließen, und ebene Abschnitte 4b oder 4b, die so angeordnet sind, dass sie jeden der Zufuhrkanäle 17 bis 19, der Ausgabekanäle 20 bis 22 und der gewellten Abschnitte 4a oder 5a umgeben. Nachfolgend werden in Bezug auf die 4 und 5 der Separator 4A und 5A von den Separatoren 4 und 5 erläutert.
Der Kühlmedium-Zufuhrkanal ist im linken Ende der Separatoren 4A und 5A und im Wesentlichen in der Mitte in der Querrichtung der Separatoren 4A und 5A (das heißt in der mit Pfeil I angegebenen Richtung) angeordnet. Im linken Ende der Separatoren 4A und 5A ist der Brenngas-Zufurkanal 17 an einer Seite angeordnet und ist der Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 an der anderen Seite angeordnet, in Querrichtung der Separatoren 4A und 5A, die den Kühlmedium-Zufuhrkanal 19 zwischen sich aufnehmen.
Der Kühlmedium-Ausgabekanal 22 ist im rechten Ende der Separatoren 4A und 5A angeordnet und im Wesentlichen in der Mitte in der Querrichtung der Separatoren 4A und 5A. Im rechten Ende der Separatoren 4A und 5A ist der Brenngas-Ausgabekanal 20 an einer Seite angeordnet und ist der Oxidationsgas-Ausgabekanal 21 an der anderen Seite angeordnet, in der Querrichtung der Separatoren 4A und 5A, die den Kühlmedium-Ausgabekanal 2 zwischen sich aufnehmen.
Der Brenngas-Ausgabekanal 20 und der Oxidationsgas-Ausgabekanal 21 sind an diagonal entgegengesetzten Positionen jeweils zum Brenngas-Zufuhrkanal 17 und Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 angeordnet.
Die Längen (mit dem Pfeil K angegeben) des Brenngas-Zufuhrkanals 17 und des Ausgabekanals 20 sowie die Längen (mit dem Pfeil K angegeben) des Oxidationsgas-Zufuhrkanals 18 und des Ausgabekanals 21 in der Längsrichtung der Separatoren 4A und 5A (in der mit dem Pfeil J angegebenen Richtung) sind kürzer gemacht als die Längen (mit dem Pfeil L angegeben) vom benachbarten Kühlmedium-Zufuhrkanal 19 und Ausgabekanal 22.
Im Ergebnis wird die Abmessung des Raums (mit dem Pfeil M angegeben) von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 und Ausgabekanal 20 und von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 und Ausgabekanal 21 zu den gewellten Abschnitten 4a und 5a größer gemacht als die Größe des Raums (mit dem Pfeil N angegeben) von dem Kühlmedium-Zufuhrkanal 19 und Ausgabekanal 22 zu den gewellten Abschnitten 4a und 5a.
Wie in 4 gezeigt, sind zwischen dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 und dem gewellten Abschnitt 4a sowie zwischen dem gewellten Abschnitt 4a und dem Brenngas-Ausgabekanal 20 auf einer zur Anode weisenden Oberfläche des Separators 4A Brenngas-Verbindungswege 23A ausgebildet, die jeweils erlauben, dass das von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 zugeführte Brenngas zu dem gewellten Abschnitt 4a geleitet wird, und das Brenngas, das durch den gewellten Abschnitt 4a geströmt ist, von dem Brenngas-Ausgabekanal 20 ausgegeben wird. Die Brenngas-Verbindungswege 23A sind mit einer Mehrzahl von Nuten 23a versehen, die auf einer zur Anode weisenden Oberfläche eines Separators 4A ausgebildet sind, sowie mit einer flachen Überbrückungsplatte 23b, die sich gerade über die Nuten 23a erstreckt. Auf der Oberfläche des Separators 4A dort, wo die Überbrückungsplatte 23b angeordnet ist, ist eine Vertiefung 24 ausgebildet, in die die Überbrückungsplatte 23b eingesetzt wird. Diese Vertiefung 24 ermöglicht, dass die Oberfläche der Überbrückungsplatte 23b innerhalb der gleichen ebenen Oberfläche wie die Oberfläche 4b des Separators 4A angeordnet wird.
Darüber hinaus sind in dem Separator 4A jeweils konvexe Abschnitte 34A zwischen dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 und den gewellten Abschnitten 4a und zur Mitte des Separators 4A hin, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung, sowie zwischen gewellten Abschnitten 4A und dem Oxidationsgas-Ausgabekanal 21 zur Mitte des Separators 4A hin, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung, vorgesehen. Diese konvexen Abschnitte 34A werden nachfolgend weiter erläutert.
Wie in 5 gezeigt, sind in ähnlicher Weise wie beim Separator 4A, zwischen dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 und dem gewellten Abschnitt 4a sowie zwischen dem gewellten Abschnitt 4a und dem Oxidationsgas-Ausgabekanal 21 auf einer zur Kathode weisenden Oberfläche des Separators 5A Oxidationsgas-Verbindungswege 25A ausgebildet, die jeweils erlauben, dass Brenngas von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 17 zu dem gewellten Abschnitt 5a geleitet wird, und Oxidationsgas, das durch den gewellten Abschnitt 5a hindurch getreten ist, von dem Oxidationsgas-Ausgabekanal 21 ausgegeben wird. Die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A sind jeweils mit einer Mehrzahl von Nuten 25a versehen, die auf einer zur Anode weisenden Oberfläche eines Separators 5A ausgebildet sind, und mit einer flachen Überbrückungsplatte 25b, die sich gerade über die Nuten 25a erstreckt. Auf der Oberfläche des Separators 5A, wo die Überbrückungsplatte 25b angeordnet ist, eine Vertiefung 24 ausgebildet, in die die Überbrückungspatte 25b eingesetzt ist. Diese Vertiefung 24 ermöglicht, dass die Oberfläche der Überbrückungsplatte 25b innerhalb der gleichen ebenen Oberfläche wie die Oberfläche 5b des Separators 5A angeordnet ist.
Darüber hinaus sind in dem Separator 5A jeweils konvexe Abschnitte 35 zwischen dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 und den gewellten Abschnitten 5a und zur Mitte des Separators 5A hin, bei Betrachtung in der mit Pfeil I angegebenen Richtung, sowie zwischen den gewellten Abschnitten 5a und dem Brenngas-Ausgabekanal 20 und zur Mitte des Separators 5A hin, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung, vorgesehen. Diese konvexen Abschnitte 35A werden nachfolgend weiter erläutert.
Wie in den 6A und 6B gezeigt, sind auf den anderen Oberflächen, das heißt den Kühloberflächen, der zwei Separatoren 4A und 5A ein Kühlmedium-Verbindungsweg 26, der den Kühlmedium-Zufuhrkanal 19 mit den gewellten Abschnitten 4a und 5a verbindet, sowie ein Kühlmedium-Verbindungsweg 26, der die gewellten Abschnitte 4a und 5a mit dem Kühlmedium-Ausgabekanal 22 verbindet, vorgesehen.
Darüber hinaus sind, wie in 6A gezeigt, in dem Separator 5A, konvexe Abschnitte 30A an der Rückseite davon an Positionen vorgesehen, die den Oxidationsgas-Verbindungswegen 25A entsprechen, und konkave Abschnitte 29A sind an der Rückseite an der Position vorgesehen, die den konvexen Abschnitten 35A entspricht.
Wie in 6B gezeigt, sind in dem Separator 4A konvexe Abschnitte 31A an der Rückseite an der Position vorgesehen, die den Brenngas-Verbindungswegen 23A entspricht, und konkave Abschnitte 32A sind an der Rückseite an der Position vorgesehen, die den konvexen Abschnitten 34A entspricht. Die konvexen Abschnitte 30A und 31A sowie die konkaven Abschnitte 29A und 32A werden nachfolgend weiter erläutert.
Wie in 7 gezeigt, ist das Gasdichtungselement 6A integral so ausgebildet, dass eine Mehrzahl von Nebenschleifenabschnitten 6Ab, die jeden der Zufuhrkanäle 17 bis 19 und Ausgabekanäle 20 und 22 umgeben, an beiden Seiten eines Hauptschleifenabschnitts 6Aa angeordnet sind, der die Außenumfänge der gewellten Abschnitte 4a und 5a umgibt. In einer ähnlichen Weise wie beim Gasdichtungselement 6A hat auch das Gasdichtungselement 7A einen Hauptschleifenabschnitt 7Aa und Nebenschleifenabschnitte 7Ab. Ferner haben in ähnlicher Weise wie das Gasdichtungselement 6A, die Gasdichtungselemente 6B und 7B Hauptschleifenabschnitte 6Ba und 7Ba sowie Nebenschleifenabschnitte 7Bb und 7Bb.
Die 8, 10 und 11 zeigen jeweils einen Zustand, in dem das Dichtungselement 6A auf der anodenseitigen Oberfläche des einen Separators 4A, auf der anodenseitigen Oberfläche der Elektrodenanordnung 3 und auf der kathodenseitigen Oberfläche des Separators 5A angeordnet ist.
Wie in den 8, 10 und 11 gezeigt, sind die Hauptschleifenabschnitte 6Aa und 7Aa der Gasdichtungselemente 6A und 7A so angeordnet, dass sie entlang den ebenen Abschnitten 4b und 5b zwischen den jeweiligen Zufuhrkanäle 17 bis 19 und den gewellten Abschnitten 4a und 5a verlaufen, sowie zwischen jeweiligen Ausgabekanälen 20 bis 22 und den gewellten Abschnitten 4a und 5a verlaufen. Im Ergebnis verlaufen die Hauptschleifenabschnitte 6Aa und 7Aa über die Oberseite der Überbrückungsplatten 23B und 25B, die auf den Verbindungswegen 23A und 25A vorgesehen sind, und die jeweiligen Zufuhrkanäle 17 bis 19 und Ausgabekanäle 20 bis 22 sind nur durch die Nuten 23A und 25A, die die Verbindungswege 23A und 25A bilden, mit den gewellten Abschnitten 4a und 5a verbunden. Die restlichen Abschnitte sind im fluiddichten Zustand versiegelt. Darüber hinaus laufen, wie in den 8 und 10 gezeigt, die Gasdichtungselemente 6A und 7A um die konvexen Abschnitte 34A und 35A herum, die jeweils in den Separatoren 4A und 5A ausgebildet sind.
Nachfolgend wird die Brennstoffzelleneinheit 2B erläutert. Wie in 9 gezeigt, sind, wie im Falle der Brennstoffzelleneinheit 2A, in dem Separator 4B der Brennstoffzelleneinheit 2B Brenngas-Verbindungswege 23B vorgesehen, die den Brenngas-Zufuhrkanal 17 und den Brenngas-Ausgabekanal 20 mit dem gewellten Abschnitt 4A verbinden. Die Verbindungswege 23B sind so angeordnet, dass sie von den Verbindungswegen 23A in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung versetzt sind (das heißt in Richtung orthogonal zur Richtung von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 zu der Brenngas-Strömungspassage 8) bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Darüber hinaus sind in dem Separator 4B konvexe Abschnitte 34B zwischen dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 und den gewellten Abschnitten 4a und zum Umfang des Separators 4B hin vorgesehen, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung, sowie zwischen den gewellten Abschnitten 4a und dem Oxidationsgas-Ausgabekanal 21 und zur Mitte des Umfangs des Separators 4B hin, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung. Die konvexen Abschnitte 34B sind so angeordnet, dass sie von konvexen Abschnitten 34A in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung versetzt sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung.
In dem Separator 4B sind konkave Abschnitte 32B an der Rückseite davon Positionen vorgesehen, die den konvexen Abschnitten 34B entsprechen. Die konkaven Abschnitte 32B sind an Positionen angeordnet, die den konvexen Abschnitten 30A entsprechen, die an dem Separator 5A ausgebildet sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, und die konkaven Abschnitte 32B sind so ausgebildet, dass sie die konvexen Abschnitte 30A aufnehmen. Zusätzlich sind in dem Separator 4A gebildete konkave Abschnitte 32A an der Rückseite davon an Positionen angeordnet, die den konvexen Abschnitten 30B entsprechen, um die an dem Separator 5B ausgebildeten konvexen Abschnitte 30B unterzubringen.
Wie in 12 gezeigt, sind in dem Separator 5B der Brennstoffzelleneinheit 2B Oxidationsgas-Verbindungswege 25B vorgesehen. Die Oxidationsgas-Verbindungswege 25B sind so angeordnet, dass sie von den Oxidationsgas-Verbindungswegen 25A in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung versetzt sind (das heißt in Richtung orthogonal zu der Richtung von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 zu der Oxidationsgas-Strömungspassage 9, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Darüber hinaus sind in dem Separator 5B konvexe Abschnitte 35B zwischen den beiden Gaszuführkanal 17 und den gewellten Abschnitten 5A und zum Umfang des Separators 5B hin vorgesehen, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung, sowie zwischen den gewellten Abschnitten 5A und dem Brenngas-Ausgabekanal 20 und zur Mitte des Umfangs des Separators 5B hin, bei Betrachtung in der mit dem Pfeil I angegebenen Richtung.
In dem Separator 5B sind konkave Abschnitte 29B an der Rückseite davon an Positionen vorgesehen, die den konvexen Abschnitten 35B entsprechen. Die konkaven Abschnitte 29B sind an Positionen angeordnet, die den an dem Separator 4A ausgebildeten konvexen Abschnitten 31A entsprechen, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, und die konkaven Abschnitte 29B sind so ausgebildet, dass sie die konvexen Abschnitte 31A aufnehmen. Zusätzlich sind in dem Separator 5A ausgebildete konkave Abschnitte 29A so ausgebildet, dass sie die an dem Separator 4B ausgebildeten konvexen Abschnitte 31A aufnehmen.
Darüber hinaus verlaufen die Gasdichtungselemente 6B und 7B der Brennstoffzelleneinheit 2B so, dass sie um die konvexen Abschnitte 34B und 35B herumgehen, welche jeweils in den Separatoren 4B und 5B ausgebildet sind.
Wie in den 19A und 19B gezeigt, sind eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B, die auf diese Weise ausgebildet sind, gestapelt, wobei Kühloberflächen-Dichtungselemente 27 zwischen die Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B eingefügt sind. Mit anderen Worten, zwischen den Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B, die jeweils in den 1 und 2 gezeigt sind, ist das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 vorgesehen. Wie in 13 gezeigt, hat jedes Kühloberflächen-Dichtungselement 27 eine Struktur, in der ein Hauptschleifenabschnitt 27a integral mit Nebenschleifenabschnitte 27b verbunden ist.
In 14 ist ein Zustand gezeigt, in dem ein solchen Kühloberflächen-Dichtungselement 27 auf den anderen Oberflächenseiten der jeweiligen Separatoren 4 (4A und 4B) und 5 (5A und 5B) angeordnet ist.
Wie in 14 gezeigt, verläuft der Hauptschleifenabschnitt 27A des Kühloberflächen-Dichtungselements 27 zwischen den Zufuhrkanälen 17 und 18 von Brenngas und Oxidationsgas und den gewellten Abschnitten 4a oder 5a, und auch zwischen den Ausgabekanälen 20 und 21 und den gewellten Abschnitten 4b und 5b, und dichtet den Umfang der Kühlmedium-Strömungspassage 28 (siehe 21) ab, die durch Verbinden des Kühlmedium-Zufuhrkanals 19 mit den gewellten Abschnitten 4a und 5a über den Verbindungsweg 26 gebildet ist, und durch Verbinden der gewellten Abschnitte 4a und 5a mit dem Kühlmedium-Ausgabekanal 22 über den Verbindungsweg 26. Darüber hinaus dichten die Nebenschleifenabschnitte 27b des Kühloberflächen-Dichtungsabschnitts 27 unabhängig jeden der Brenngas- und Oxidationsgas-Zufuhrkanäle 17 und 18 und Ausgabekanäle 20 und 21 ab. Merke, dass die konvexen Abschnitte 30A, 30B, 31A und 31B und die konkaven Abschnitte 29A und 29B, 32A und 32B, die nachfolgend im Detail beschrieben werden (siehe 6A und 6B) aus Gründen der Klarheit aus 14 weggelassen sind.
Wenn die Abschnitte des Hauptschleifenabschnitts 27a des Kühloberflächen-Dichtungselements 27, die zwischen den Zufuhrkanälen 17 und 18 von Brenngas und Oxidationsgas und den gewellten Abschnitten 4a oder 5a verlaufen, und auch zwischen den Ausgabekanälen 20 und 21 und den gewellten Abschnitten 4a oder 5a, mit den Positionen verglichen werden, wo die Hauptschleifenabschnitte 6A (6Aa und 6Ba) und 7A (7Aa und 7Ba) des oben beschriebenen Gasdichtungselements entlang laufen (wie mit der unterbrochenen Linie gezeigt), dann ist ersichtlich, dass diese Abschnitte des Hauptschleifenabschnitts 27a an anderen Positionen als den Hauptschleifenabschnitten 6a und 7a angeordnet sind, so dass sie an Positionen vorbei laufen, die den Zufuhrkanälen 17 und 18 oder den Ausgabekanälen 20 und 21 näher sind.
In den 19A und 19B sind Querschnitte jeweiliger Abschnitte des Brennstoffzellenstapels 1 gezeigt, der auf diese Weise konstruiert ist. Die 19A und 19B sind Längs-Querschnittsansichten mit Querschnitten entlang der Linie A-A in 8 und entlang der Linie D-D in 9. In den 19A und 19B ist eine Strömungspassage gezeigt, die erlaubt, dass das Oxidationsgas von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18, der jeden der Separatoren 4 (4A und 4B) und 5 (5A und 5B) in der Dickenrichtung davon durchsetzt, über den Oxidationsgas-Verbindungsweg 25 (25A und 25B) zu der Oxidationsgas-Strömungspassage 9, die zwischen der Kathodenelektrode 12 und dem Separator 5 ausgebildet ist, fließt. 22 ist eine Längs-Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, entlang der Linie F-F in 8. 23 ist eine Längs-Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, entlang der Linie G-G in 11. In der folgenden Beschreibung werden jene Elemente, die gemeinsam in der Brennstoffzelleneinheit verwendet werden, mit gemeinsamen Bezugssymbolen erläutert, ohne Suffixe (A oder B) beizufügen.
Wie in den 19A und 19B gezeigt, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7, die den Bereich zwischen der Elektrodenanordnung 3 und dem an jeder Seite davon angeordneten Separatorenpaar 4 und 5 abdichten, so angeordnet, dass sie die Elektrolytmembrane 10 in der Dickenrichtung davon Positionen aufnehmen, die in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 2 einander entgegengesetzt sind. Der Hauptschleifenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 für die Oxidationsgas-Strömungspassage 9 ist auf einer Überbrückungsplatte 25b angeordnet, die sich gerade über den Oxidationsgas-Verbindungsweg 25 erstreckt, der in dem Separator 5 ausgebildet ist. In anderen Worten, der Oxidationsgas-Verbindungsweg 25 geht um den Hauptschleifenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 in der Dickenrichtung des Separators 5 herum, und verbindet den Innenraum des Hauptschleifenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 mit der Außenseite davon, um zu erlauben, dass das Oxidationsgas, das von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 an der Außenseite des Hauptschleifenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 zugeführt wird, in die Oxidationsgaspassage 9 und der Innenseite des Hauptschleifenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 fließt.
In diesem Fall ist das Kühloberflächen-Dichtungselement 27, das jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und die Kühlmedium-Strömungspassage 28 begrenzt, so angeordnet, dass sie von dem Oxidationsgas-Verbindungsweg 25, wo das Gasdichtungselement 7 vorgesehen ist, zu dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 versetzt ist. Im Ergebnis kann das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 im Wesentlichen in der selben Ebene wie die Nuten 25a angeordnet werden, die den Oxidationsgas-Verbindungsweg 25 bilden, und die durch Ausschaben einer Oberfläche des Separators 5 in der Dickenrichtung davon hergestellt sind.
Wie in den 11 und 12 gezeigt, sind die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A der Brennstoffzelleneinheit 2A und die Oxidationsgas-Verbindungswege 25B der Brennstoffzelleneinheit 2B so angeordnet, dass sie in Bezug aufeinander in Richtung orthogonal zu der Richtung von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 zur Elektrodenanordnung 3 hin (der Oxidationsgas-Strömungspassage 9) versetzt sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Im Ergebnis können, wie in 19A gezeigt, die Gasdichtungselemente 6Ba und 7Ba der Brennstoffzelleneinheit 2B so vorgesehen werden, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, von den Positionen versetzt sind, wo die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A der Brennstoffzelleneinheit 2A ausgebildet sind. darüber hinaus können, wie in 19B gezeigt, die Gasdichtungselemente 6Aa und 7Aa der Brennstoffzelleneinheit 2A so vorgesehen werden, dass sie, bei Betrachtung in der Stapelrichtung von den Positionen versetzt sind, wo die Oxidationsgas-Verbindungswege 25B der Brennstoffzelleneinheit 2B gebildet sind.
Wie in 19A gezeigt, sind in dem einen Separator 5A die konvexen Abschnitte 30A vorgesehen, die von der Rückseite des Separators 5A über eine Fläche vorstehen, die den Oxidationsgas-Verbindungswegen 25A entspricht. Im Ergebnis haben die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A, die hinter den konvexen Abschnitten 30A ausgebildet sind, ausreichende Dimensionen, die an sich erforderlich sind, damit das Oxidationsgas fließen kann. In ähnlicher Weise wie beim Separator 5A sind im Separator 5B die konvexen Abschnitte 30B so vorgesehen, dass die Oxidationsgas-Verbindungswege 25B ausreichende Dimensionen haben, die erforderlich sind, damit das Oxidationsgas fließen kann.
Darüber hinaus sind in dem anderen Separator 4B, der mit dem Separator 5A in Kontakt steht, konkave Abschnitte 32B vorgesehen, die die oben erwähnten konvexen Abschnitte 34A aufnehmen, und die konvexen Abschnitte 30A sind in den konkaven Abschnitten 32B aufgenommen. In dem anderen Separator 4A, der mit dem Separator 5B in Kontakt steht, sind konkave Abschnitte 32A vorgesehen, die die oben erwähnten konvexen Abschnitte 30B aufnehmen, und die konvexen Abschnitte 30B sind in den konkaven Abschnitten 32A aufgenommen. Merke, dass die Fläche der Ebene der konkaven Abschnitte größer ausgebildet ist als jene der konvexen Abschnitte 30, um die Positionierung der konvexen Abschnitte 30 in dem konkaven Abschnitt 32 zu erleichtern.
Ferner sind in dem Separator 4B konvexe Abschnitte 34B ausgebildet, in dem die Rückseite der konkaven Abschnitte 32B vorsteht, so dass die konvexen Abschnitte 34B und das Gasdichtungselement 6Ba bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung übereinander liegen. Zusätzlich sind in dem Separator 4A konvexe Abschnitte 34A ausgebildet, indem die Rückseite konkaven Abschnitte 32A vorsteht, so dass die konvexen Abschnitte 34A und das Gasdichtungselement 6Aa bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung übereinander liegen. Durch das Vorsehen der konvexen Abschnitte 34A und 34B in den Separatoren 5A und 5B und den benachbarten Separatoren 4B und 4A, die jeweils die Oxidationsgasverbindungswege 25 an Positionen aufweisen, die den Oxidationsgasverbindungswegen 25A und 25B entsprechen, wie oben beschrieben, ist es möglich, dass die Oxidationsgasverbindungswege 25A und 25B, die in den Separatoren 5A und 5B ausgebildet sind, in der Stapelrichtung zu den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten 2B und 2A hin angeordnet werden können (siehe 23).
Wie oben erläutert, sind in der Brennstoffzelleneinheit 2B (2A) Zwischenräume für die Oxidationsgasverbindungswege 25B (25A) an jenen Positionen nicht erforderlich, die den in der Brennstoffzelleneinheit 2A (2B) ausgebildeten Oxidationsgas-Verbindungswegen 25A (25B) entsprechen, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Daher können die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A (25B) der Brennstoffzelleneinheit 2A (2B) so nahe wie möglich an der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 2B (2A) angeordnet werden, bei Betrachtung in der Stapelrichtung (siehe Pfeil Q in den 19A und 19B).
Obwohl die obige Beschreibung dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 gilt, gilt die gleiche Beschreibung auch für den Fall des Oxidationsgas-Ausgabekanals 21.
Darüber hinaus sind die 20A und 20B Längs-Querschnittsansichten in Querschnitten entlang der Linie B-B in 8 und entlang der Linie E-E in 9. Wie in den 20A und 20B gezeigt, ist dort eine Strömungspassage gezeigt, die erlaubt, dass das Brenngas von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17, der jeden der Separatoren 4 und 5 in deren Dickenrichtung durchsetzt, über den Brenngas-Verbindungsweg 23 (23A und 23B) zu der Brenngas-Strömungspassage 8 fließt, die zwischen der Anodenelektrode 11 und dem Separator 4 ausgebildet ist.
Wie auch in den 20A und 20B gezeigt, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7, die den Bereich zwischen der Elektrodenanordnung 3 und dem an jeder Seite davon angeordneten Separatorenpaar 4 und 5 abdichten, so angeordnet, dass sie die Elektrolytmembrane 10 in der Dickenrichtung davon an der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 2 einander gegenüberliegenden Positionen zwischen sich aufnehmen. Der Hauptschleifenabschnitt 6a des Gasdichtungselements 6 für die Brenngas-Strömungspassage 8 ist auf einer Überbrückungsplatte 23b angeordnet, die sich gerade über den Brenngasverbindungsweg 23 erstreckt, der in dem Separator 4 ausgebildet ist. In anderen Worten, der Brenngas-Verbindungsweg 23 geht um den Hauptschleifenabschnitt 6a des Gasdichtungselements 6 in der Dickenrichtung des Separators 4 herum, und verbindet den Innenraum des Hauptschleifenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 mit dessen Außenseite, um zu erlauben, dass das Brenngas, das von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 an der Außenseite des Hauptschleifenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 in die Brenngaspassage 8 an der Innenseite des Hauptschleifenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 fließt.
Wie in den 8 und 9 gezeigt, sind die Brenngasverbindungswege 23A der Brennstoffzelleneinheit 2A und die Brenngasverbindungswege 23B der Brennstoffzelleneinheit 2B so angeordnet, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in Bezug aufeinander in Richtung orthogonal zu der Richtung von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 zu der Elektrodenanordnung 3 versetzt sind. Im Ergebnis können, wie in 20A gezeigt, die Gasdichtungselemente 6Ba und 7Ba der Brennstoffzelleneinheit 2B so vorgesehen werden, dass sie, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, von den Positionen versetzt sind, wo die Brenngasverbindungswege 23A der Brennstoffzelleneinheit 2A ausgebildet sind. Darüber hinaus können, wie in 20B gezeigt, die Gasdichtungselemente 6Aa und 7Aa der Brennstoffzelleneinheit 2A so vorgesehen werden, dass sie bei der Betrachtung in der Stapelrichtung von den Positionen, wo die Brenngasverbindungswege 23B der Brennstoffzelleneinheit 2B ausgebildet sind, versetzt sind.
Wie in 20A gezeigt, sind in dem einen Separator 4A die konvexen Abschnitte 31A vorgesehen, die von der Rückseite des Separators 4A über eine Fläche vorstehen, die den Brenngasverbindungswegen 23A entspricht. Im Ergebnis haben die Brenngas-Verbindungswege 23A, die hinter den konvexen Abschnitten 31A ausgebildet sind, ausreichende Dimensionen, die erforderlich sind, damit das Brenngas fließen kann. In ähnlicher Weise wie beim Separator 4A sind in dem Separator 4B die konvexen Abschnitte 31B vorgesehen, so dass die Brenngas-Verbindungswege 23B ausreichende Dimensionen haben, die erforderlich sind, damit das Brenngas fließen kann.
Darüber hinaus sind in dem anderen Separator 5B, der mit dem Separator 4A in Kontakt steht, konkave Abschnitte 29B vorgesehen, die die oben erwähnten konvexen Abschnitte 31A unterbringen, und die konvexen Abschnitte 31A sind in den konkaven Abschnitten 29B aufgenommen. In dem anderen Separator 5A, der mit dem Separator 4B in Kontakt steht, sind konkave Abschnitte 29A vorgesehen, die die oben erwähnten konvexen Abschnitte 31B unterbringen, und die konvexen Abschnitte 31B sind in den konkaven Abschnitten 29A aufgenommen. Merke, dass die Fläche der Ebene der konkaven Abschnitte 29 größer ausgebildet ist als jene der konvexen Abschnitte 31, um die Positionierung der konvexen Abschnitte 31 in die konkaven Abschnitte 29 zu erleichtern.
Ferner sind in dem Separator 5B konvexe Abschnitte 35B ausgebildet, indem die Rückseite der konkaven Abschnitte 29B vorsteht, so dass die konvexen Abschnitte 35B und das Gasdichtungselement 7Ba bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung übereinander liegen. Zusätzlich sind in dem Separator 5A konvexe Abschnitte 35A ausgebildet, indem die Rückseite der konkaven Abschnitte 29A vorsteht, so dass die konvexen Abschnitte 35A und das Gasdichtungselement 7Aa bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung übereinander liegen. Durch das Vorsehen der konvexen Abschnitte 35A und 35B ist es in den Separatoren 4A und 4B und den benachbarten Separatoren 5B und 5A, die jeweils die Gasverbindungswege 23 an Positionen aufweisen, die den Brenngas-Verbindungswegen 23A und 23B entsprechen, wie oben beschrieben, ist es möglich, dass die Brenngas-Verbindungswege 23A und 23B, die in den Separatoren 4A und 4B ausgebildet sind, in der Stapelrichtung zu den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten 2B und 2A hin angeordnet werden können.
Wie oben erläutert, sind in der Brennstoffzelleneinheit 2B Zwischenräume für die Brenngas-Verbindungswege 23B an jenen Positionen nicht erforderlich, die den Brenngas-Verbindungswegen 23A entsprechen, die in der Brennstoffzelleneinheit 2A ausgebildet sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Daher können die Brenngas-Verbindungswege 23A der Brennstoffzelleneinheit 2A so nahe wie möglich an der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 2B angeordnet werden, bei Betrachtung in der Stapelrichtung (siehe Pfeil S in den 20A und 20B).
Die obige Beschreibung gilt auch für den Fall des Gasausgabekanals 20. In diesem Fall ist das Kühloberflächen-Dichtungselement 27, das jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den Kühlmedium-Strömungskanal 28 begrenzt, so angeordnet, dass es von dem Brenngasverbindungsweg 23 und dem Oxidationsgas-Verbindungsweg 25, wo die Gasdichtungselemente 6 und 7 vorgesehen sind, zu dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 und dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 jeweils versetzt ist. Im Ergebnis können das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 und die Nuten 23a und 25a, die die Brenngasverbindungswege 23 und die Oxidationsgas-Verbindungswege 25 bilden, im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet werden. Dementsprechend wird es möglich, die Dicke jeder der Brennstoffzelleneinheiten 2 um den Betrag zu reduzieren, der durch die oben erwähnte Überlappung eingespart wird.
Daher wird es möglich, die von dem Kühloberflächen-Dichtungselement 27 eingenommene Höhe sicherzustellen, welche erforderlich ist, damit das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 eine ausreichende Dichtleistung erhält, während gleichzeitig die Dicke der Separatoren 4 und 5 an den Positionen beibehalten wird, wo die Verbindungswege 23 und 25 ausgebildet sind. Weil darüber hinaus die Dicke, die zur Bildung der Verbindungswege 23 und 25 erforderlich ist, durch die zwei Separatoren 4 und 5 sichergestellt werden kann und es nicht notwendig ist, dass beide Separatoren 4 und 5 jeweils die Dicke haben, die zur Bildung der Verbindungswege 23 und 25 erforderlich ist, ist es möglich, die von den jeweiligen Separatoren 4 und 5 angeforderten Dicken um den entsprechenden Betrag zu reduzieren. Dementsprechend kann die Höhe der Brennstoffzelleneinheit 2 wesentlich reduziert werden.
Merke, dass in dieser Ausführung die Höhe des Kühloberflächen-Dichtungselements 27 (siehe die schraffierte Fläche in den 19B und 20B) ein Hindernis darstellt, wenn eine weitere Dickenreduktion der Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B angestrebt wird; jedoch kann es möglich sein, die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels 1 weiter zu reduzieren, indem man das Hindernis überwindet, das heißt indem man die Höhe des Kühloberflächen-Dichtungselements 27 reduziert.
21 zeigt einen Längs-Querschnitt entlang der Linie C-C in 8. Gemäß 21 ist eine Strömungspassage gezeigt, die den Kühlmedium-Zufuhrkanal 19 mit der Kühlmedium-Strömungspassage 28 verbindet, die zwischen den zwei benachbarten Brennstoffzelleneinheiten 2 eingegrenzt ist.
Als Nächstes zeigen die 24A und 24B die zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung und sind längs durch Querschnittsansichten, die jeweils den 19A und 19B entsprechen, welche die erste Ausführung zeigen. Merke, dass in der vorliegenden Ausführung die gleichen Beschreibungssymbole dort, wo es geeignet ist, an Bauteile vergeben sind, die jenen der ersten Ausführung entsprechen, und eine Beschreibung davon hier weggelassen ist. Diese Ausführung unterscheidet sich darin, dass eine Kühlmedium-Strömungspassage 28 für alle zwei Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B ausgebildet ist und die Kühlung an jeweils zwei Zellen (das heißt zwei Brennstoffzelleneinheiten) erfolgt. Der Brennstoffzellenstapel 1 der vorliegenden Ausführung ist mit einem Separator 33 versehen, indem die Kühlmedium-Strömungspassage 28 nicht ausgebildet ist, und der Separator 33, der den Separatoren 4B und 5A in der ersten Ausführung entspricht, hat eine ausreichende Dicke, um die Bildung der Verbindungswege 23 und 25 zu erlauben. In der gleichen Weise wie in der ersten Ausführung erhält man auch in dieser Ausführung einen Effekt, die Dicke der Separatoren 4 und 5 reduzieren zu können.
Wie in der ersten Ausführung sind die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A der Brennstoffzelleneinheit 2A und die Oxidationsgas-Verbindungswege 25B der Brennstoffzelleneinheit 2B so angeordnet, dass sie in Bezug aufeinander in Richtung orthogonal zu der Richtung von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 zu der Elektrodenanordnung 3, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, versetzt sind. In dieser Ausführung sind die Gasdichtungselemente 6 und 7 der Brennstoffzelleneinheit 2B (siehe die Hauptschleifenabschnitte 6Ba und 7Ba, die in 19A mit den schraffierten Flächen bezeichnet sind) so angeordnet, dass sie von den Oxidationsgas-Verbindungswegen 25A der Brennstoffzelleneinheit 2A, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, versetzt sind. Im Ergebnis können die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A der Brennstoffzelleneinheit 2A so nahe wie möglich an der Brennstoffzelleneinheit 2B angeordnet werden, bei Betrachtung in der Stapelrichtung (siehe Pfeil Q in den 19A und 19B).
In dieser Ausführung, wie sie in 24A gezeigt ist, kontaktieren die Separatoren 4A und 5B den Separator 33, indem die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A ausgebildet sind, nicht. Daher sind die konvexen Abschnitte 34B ausgebildet, indem die Rückseite 33A des Separators 33 an Positionen vorsteht, wo die Oxidationsgas-Verbindungswege 25A ausgebildet sind, um die konvexen Abschnitte 34B und der Hauptschleifenabschnitt 6Ba des Dichtungselements 6 werden bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung, überlagert. In dieser Ausführung stehen die konvexen Abschnitte 34B mit der Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2B in Kontakt, wodurch die Abmessungsreduktion in der Stapelrichtung maximiert werden kann.
Weil ferner, wie in 24B gezeigt, der Separator 4A mit dem Separator 5B in Kontakt steht, indem die Oxidationsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, wie in der ersten Ausführung, kann die Dimension in der Stapelrichtung reduziert werden, indem die konvexen Abschnitte 30B hinter den Oxidationsgas-Verbindungswegen 25B in dem Separator 5B vorgesehen werden, und indem die konkaven Abschnitte 32A, die die konvexen Abschnitte 30B aufnehmen, vorgesehen werden, während die konvexen Abschnitte 34A, die von den Rückseiten der konkaven Abschnitten 32A vorstehen, in dem Separator 4A vorgesehen werden.
Zusätzlich sind in der vorliegenden Ausführung die Brenngas-Verbindungswege 23A und die Brenngas-Verbindungswege 23B ähnlich ausgebildet (siehe Pfeil S in den 20A und 20B), wodurch die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels 1 reduziert wird. Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführung die Größe der Elektrodenanordnung 3 in der Brennstoffzelleneinheit 2B größer gemacht als die Größe der Elektrodenanordnung 3 in der Brennstoffzelleneinheit 2A, um den Stromerzeugungswirkungsgrad zu verbessern und die Steifigkeit der Elektrodenanordnung 3 zu erhöhen. Merke, dass dann, wenn die Dichtungselemente 6 und 7 so angeordnet werden können, dass sie in Bezug aufeinander versetzt sind, die Elektrodenanordnungen 3 in den Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B relativ zueinander die gleiche Größe haben können, wie in der ersten Ausführung.
Weil, wie oben erläutert, in der vorliegenden Ausführung die Kühlmedium-Strömungspassage 28 in jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B vorgesehen ist, ist das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 zwischen den Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B, zwischen denen die Kühlmedium-Strömungspassage 28 nicht ausgebildet ist, nicht erforderlich. Dementsprechend wird vorzugsweise die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels 1 weiter reduziert. Zusätzlich erhält man einen Effekt darin, dass es möglich wird, die zur Kühlung verwendeten Elemente, wie etwa das Kühloberflächen-Dichtungselement 27, um den gleichen Betrag zu reduzieren wie die Abnahme an den Stellen, wo der Kühlmedium-Verbindungsweg 28 gebildet ist, und dies erlaubt eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses. Merke, dass in der vorliegenden Ausführung eine Beschreibung davon angegeben wird, wenn die Kühlung für alle zwei Zellen ausgeführt wird; wobei aber die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt ist und die Brennstoffzelle auch so aufgebaut strukturiert werden kann, dass die Kühlung für alle drei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 2 durchgeführt wird.
Als Nächstes zeigen die 25 und 26 die dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten, die jeweils den 19A und 20A in der ersten Ausführung entsprechen. Wie in den 25 und 26 gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 1 in der vorliegenden Ausführung Brennstoffzellenstapel 2C und Brennstoffzellenstapel 2D. Wie in den 16A und 16B gezeigt, sind die Brenngas-Verbindungswege 23C der Brennstoffzelleneinheit 2C und die Brenngas-Verbindungswege 23D der Brennstoffzelleneinheit 2D so angeordnet, dass sie relativ zueinander in der Richtung von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 zu der Elektrodenanordnung 3 (der Brenngas-Strömungspassage 9), bei Betrachtung in der Stapelrichtung, versetzt sind. Im Ergebnis sind, wie in 26 gezeigt, in der Brennstoffzelleneinheit 2D Zwischenräume für die Brenngas-Verbindungswege 23D an jenen Positionen, die den in der Brennstoffzelleneinheit 2C gebildeten Brenngas-Verbindungswegen 23C entsprechen, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, nicht erforderlich.
Zusätzlich ist es möglich, die Brenngas-Verbindungswege 23D in der Brennstoffzelleneinheit 2 so auszubilden, dass sie außerhalb von der Elektrodenanordnung 3 Brennstoffzelleneinheit 2C angeordnet sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Dementsprechend wird es möglich, die Gasdichtungselemente 6a und 7a der Brennstoffzelleneinheit 2D, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, so anzuordnen, dass sie von den in der Brennstoffzelleneinheit 2C ausgebildeten Brenngas-Verbindungswegen 23C versetzt sind, und so, dass sie außerhalb der Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2C angeordnet sind. Jener Abschnitt in der Brennstoffzelleneinheit 2C, der dem in der Brennstoffzelleneinheit 2D ausgebildeten Brenngas-Verbindungsweg 23D entspricht, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, öffnet sich zu dem Brenngas-Zufuhrkanal 17. Wenn der Zwischenraum (siehe Pfeil R in 26) des oben erwähnten Abschnitts ausreicht, damit das Brenngas in Bezug auf die Elektrodenanordnung 3 schließt, kann der Abschnitt dort, wo der Brenngas-Verbindungsweg 23D der Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildet ist, so angeordnet werden, dass er über die Ebene der Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2C hinaus (siehe Pfeil T) in der Stapelrichtung vorsteht; somit wird es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D um den auf diese Weise eingesparten Betrag zu reduzieren. Die gleiche Beschreibung gilt auch für den Fall der Brenngas-Verbindungswege 23C und 23D, die in der Nähe des Brenngas-Ausgabekanals 20 vorgesehen sind.
Darüber hinaus sind, wie in 25 gezeigt, in der vorliegenden Ausführung, die Oxidationsgas-Verbindungswege 25C der Brennstoffzelleneinheit 2C und die Oxidationsgas-Verbindungswege 25D der Brennstoffzelleneinheit 2D so angeordnet, dass sie zueinander in der Richtung von dem Oxidationsgas-Zufuhrkanal 18 zu der Elektrodenanordnung 3, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, versetzt sind. Im Ergebnis kann der Abschnitt dort, wo der Oxidationsgas-Verbindungsweg 25D der Brennstoffzelleneinheit 2D ausgebildet ist, über die Elektrodenanordnung 3 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 2C in der Stapelrichtung positioniert werden; somit wird es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D zu reduzieren. Die gleiche Beschreibung gilt auch für den Fall der Oxidationsgas-Verbindungswege (nicht gezeigt), die in der Nähe des Oxidationsgas-Ausgabekanals 21 vorgesehen sind. Obwohl, wie in der ersten Ausführung das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 ein Hindernis dafür ist, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D weiter zu reduzieren, kann die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels weiter reduziert werden, indem dieses Hindernis wie in der ersten Ausführung überwunden wird.
Als Nächstes zeigt 27 die vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung und ist eine Längs-Querschnittsansicht entsprechend 25 der dritten Ausführung. Diese Ausführung unterscheidet sich von der dritten Ausführung darin, dass die Kühlmedium-Strömungspassage 28 für alle zwei Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D ausgebildet ist und die Kühlung für alle zwei Zellen (das heißt zwei Brennstoffzelleneinheiten) durchgeführt wird. Der Brennstoffzellenstapel 1 der vorliegenden Ausführung ist mit einem Separator 33 versehen (entsprechend den Separatoren 4D und 5D in der dritten Ausführung), worin die Kühlmedium-Strömungspassage 28 nicht ausgebildet ist, und worin an dem Separator 33 kein Kühloberflächen-Dichtungselement 27 vorgesehen werden braucht. Im Ergebnis kann der Abschnitt, wo der Oxidationsgas-Verbindungsweg 25D der Brennstoffzelleneinheit 2D ausgebildet ist, in der Stapelrichtung über die Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2 hinaus (siehe Pfeil T in 25) angeordnet werden, wie in der dritten Ausführung erläutert wurde.
In der vorliegenden Ausführung, wie in 27 gezeigt, ist der Separator 33 so ausgebildet, dass die Rückseite 33b des Abschnitts des Separators 33 dort, wo der Oxidationsgas-Verbindungsweg 25D vorgesehen ist, zur Ebene der Elektrodenanordnung 3 vorsteht. So lange übrigens ein Zwischenraum sichergestellt wird, der zum Sicherstellen der Strömungsrate des Oxidationsgases erforderlich ist, dass der Elektrodenanordnung 3 zugeführt und von dieser ausgegeben wird, kann die Rückseite 33b des Separators 33 so angeordnet werden, dass sie über die Ebenen der Elektrodenanordnung 3 hinaus vorsteht, um die in 27 gezeigte Dimension X weiter zu reduzieren. Die gleiche Beschreibung gilt auch für den Fall der Brenngas-Verbindungswege, die in den Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D vorgesehen sind. Die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels 1 wird mittels der oben erwähnten Maßnahmen reduziert.
Als Nächstes zeigen die 28A, 28B, 29A und 29B die fünfte Ausführung der vorliegenden Erfindung, und sind Längs-Querschnittsansichten, die jeweils den 19A, 19B, 20A und 20B der ersten Ausführung entsprechen. Der Brennstoffzellenstapel 1 der vorliegenden Ausführung umfasst Brennstoffzelleneinheit 2E und Brennstoffzelleneinheit 2F wie in den 28A, 28B, 29A und 29B gezeigt. Wie in den 17A und 17B gezeigt, sind die Brenngas-Verbindungswege 23E der Brennstoffzelleneinheit 2E und die Brenngas-Verbindungswege 23F der Brennstoffzelleneinheit 2F so angeordnet, dass sie relativ zu einander in der Richtung von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 zu der Elektrodenanordnung 3 und auch in der die vorgenannte Richtung schneidenden Richtung versetzt sind. Im Ergebnis sind in der Brennstoffzelleneinheit 2F Zwischenräume für die Brenngas-Verbindungswege 23F an jenen Positionen nicht erforderlich, die den Brenngas-Verbindungswegen 23E entsprechen, die in der Brennstoffzelleneinheit 2E ausgebildet sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Weil darüber hinaus die Brenngas-Verbindungwege 23E der Brennstoffzelleneinheit 2E und die Brenngas-Verbindungswege 23F der Brennstoffzelleneinheit 2F so angeordnet sind, dass sie in Bezug aufeinander in der Richtung von dem Brenngas-Zufuhrkanal 17 zu der Elektrodenanordnung 3 versetzt sind, wird es möglich, die Gasdichtungselemente 6a und 7a der Brennstoffzelleneinheit 2F, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, so anzuordnen, dass sie von den in der Brennstoffzelleneinheit 2E ausgebildeten Brenngas-Verbindungswegen 2E versetzt sind, und so, dass sie über die Ebene der Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2E hinaus vorstehen.
Darüber hinaus fließt, in der Brennstoffzelleneinheit 2E das Brenngas nicht durch jene Abschnitte, die den in der Brennstoffzelleneinheit 2F ausgebildeten Reaktionsgas-Verbindungswegen 23F entsprechen, bei Betrachtung in der Stapelrichtung. Wenn daher die Dimensionen der oben erwähnten Abschnitte ausreichend sind, um die elektrische Isolationseigenschaft davon sicherzustellen, können jene Abschnitte, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege 23F in der Brennstoffzelleneinheit 2F ausgebildet sind, zu der Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2E hin vorstehen; somit wird es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F um den auf diese Weise eingesparten Betrag zu reduzieren (siehe Pfeil U in 29B). Die gleiche Beschreibung gilt auch für den Fall der Brenngas-Verbindungswege 23E und 23F, die in der Nähe des Brenngas-Ausgabekanals 20 vorgesehen sind. Zusätzlich gilt, wie in den 28A und 28B gezeigt, die gleiche Beschreibung auch für den Fall der Oxidationsgas-Verbindungswege 25E der Brennstoffzelleneinheit 2E und die Oxidationsgas-Verbindungswege 25F der Brennstoffzelleneinheit 2F. Im Ergebnis wird es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F zu reduzieren. Wenn die oben erwähnte Dimension, die zum Sicherstellen der elektrischen Isolationseigenschaft (siehe Pfeil W in 28B) erforderlich ist, kleiner ist al die Dimension, die erforderlich ist, um die Strömung der Reaktionsgase (das heißt des Brenngases und des Oxidationsgases) sicherzustellen (siehe Pfeil R in 26), ist es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F weiter zu reduzieren als im Falle der Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D in der dritten Ausführung. Merke, dass in der vorliegenden Ausführung wie in der ersten Ausführung, die Höhe des Kühloberflächen-Dichtungselements 27 ein Hindernis ist, wenn eine weitere Dickenreduktion der Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F angestrebt wird; jedoch kann es möglich sein, die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels 1 durch Überwindung des Hindernisses weiter zu reduzieren, das heißt die reduzierende Höhe des Kühloberflächen-Dichtungselements 27, wie im Falle der ersten Ausführung.
30A und 30B zeigen die sechste Ausführung der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten, jeweils entsprechend den 28A und 28B der fünften Ausführung. Diese Ausführung unterscheidet sich von der fünften Ausführung darin, dass eine Kühlmedium-Strömungspassage 28 für alle zwei Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F ausgebildet ist und die Kühlung für alle zwei Zellen durchgeführt wird (das heißt zwei Brennstoffzelleneinheiten). Der Brennstoffzellenstapel 1 der vorliegenden Ausführung ist mit einem Separator 33 versehen (entsprechend den Separator 4F und 5E in der fünften Ausführung), worin die Kühlmedium-Strömungspassage 28 nicht ausgebildet ist, und wobei ein Kühloberflächen-Dichtungselement 27 von dem Separator 33 nicht vorgesehen werden braucht. Im Ergebnis kann der Abschnitt dort, wo der Oxidationsgas-Verbindungsweg 25F der Brennstoffzelleneinheit 2F ausgebildet ist, über die Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelleneinheit 2E in der Stapelrichtung hinaus angeordnet werden, wie es in der ersten Ausführung erläutert wurde, und daher wird es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F um den auf diese Weise eingesparten Betrag zu reduzieren.
In der vorliegenden Ausführung, wie in den 30A und 30B gezeigt, ist die Rückseite 33c hinter dem Oxidationsgas-Verbindungsweg 25F des Separators 33 so angeordnet, dass sie dem gegenüberliegenden Separator 4E nahe ist, während ein Abstand dazwischen sichergestellt wird (siehe Pfeil V), der erforderlich ist, um die elektrischen Isolationseigenschaften sicherzustellen. Die Rückseite 33c des Separators 33 kann so angeordnet sein, dass sie einen Abstand hat, der kleiner ist als der in den 30A und 30B gezeigte Abstand V, und so, dass die Rückseite 33c von der Ebene der Elektrodenanordnung 3 der Brennstoffzelle 2E vorsteht, so lange die elektrische Isolationseigenschaft sichergestellt werden kann. Die gleiche Beschreibung gilt auch für den Fall der Brenngas-Verbindungswege (nicht gezeigt), und daher kann die Gesamtdicke des Brennstoffzellenstapels 1 reduziert werden. Wenn der oben erwähnte Abstand, der zum Sicherstellen der elektrischen Insulationseigenschaft erforderlich ist (siehe Pfeil V in den 30A und 30B) kleiner ist als die Dimension, die erforderlich ist, um den Fluss der Reaktionsgase (das heißt des Brenngases und des Oxidationsgases) sicherzustellen (siehe Pfeil X in 27), ist es möglich, die Dicken der Brennstoffzelleneinheiten 2E und 2F weiter zu reduzieren als im Falle der Brennstoffzelleneinheiten 2C und 2D in der vierten Ausführung.
Als Nächstes zeigen die 31A, 31B, 32A, 32B, 33 und 34 die siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten, die jeweils in 19A, 19B, 20A, 20B, 21 und 22 der ersten Ausführung entsprechen. In dieser Ausführung sind beide Separatoren 4 und 5 mit gewellten Abschnitten 4a und 5a, Zufuhrkanälen 17 bis 19, Ausgabekanälen 20 bis 22 und ebenen Abschnitten 4b und 5b versehen, wie in 1 gezeigt, durch Pressformen einer rostfreien Stahlplatte mit einer Plattendicke von angenähert 0,2 bis 0,5 mm. In der gleichen Weise wie in der ersten Ausführung ist in dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Ausführung das Kühloberflächen-Dichtungselement 27, das die Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B abdichtet und den Kühlmedium-Strömungspassage 28 begrenzt, an einer Position angeordnet, die den jeweiligen Zufuhrkanälen 17 und 18 näher ist als die Verbindungswege 23 und 25 dort, wo der Hauptschleifenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 vorgesehen ist.
Im Ergebnis kann das Kühloberflächen-Dichtungselement 27 im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Nuten 23a und 25a der Oxidationsgas-Verbindungswege 23 und 24 angeordnet werden, die durch gegenseitiges Verbinden der Oberflächen der beiden Separatoren 4 und 5 gebildet sind. Es ist daher möglich, die Dicke der Brennstoffzelleneinheit 2 um den Betrag dieses überlappenden Abschnitts zu reduzieren.
Darüber hinaus sind konvexe Abschnitte 30A und 30B an den Separatoren 5A und 5B vorgesehen, die sich über Bereiche erstrecken, die jenen der Gasverbindungswege 25A und 25B entsprechen, und konvexe Abschnitte 34B und 34A sind an den Separatoren 4B und 4A vorgesehen, die sich über Bereiche, erstrecken den Gasverbindungswegen 25A und 25B entsprechen. Die konvexen Abschnitte 30A und 30B sind in konkaven Abschnitten 32B und 32A aufgenommen, die hinter den konvexen Abschnitten 34B und 34A ausgebildet sind. Konvexe Abschnitte 31A und 31B sind an den Separatoren 4A und 4B vorgesehen, die sich über Bereiche erstrecken, die den Gasverbindungswegen 23A und 23B entsprechen, und konvexe Abschnitte 35B und 35A sind an den Separatoren 5B und 5A vorgesehen, die sich über Bereiche erstrecken, die den Gasverbindungswegen 23A und 23B entsprechen. Die konvexen Abschnitte 31A und 31B sind in konkaven Abschnitten 29B und 29A aufgenommen, die hinter den konvexen Abschnitten 35B und 35A ausgebildet sind. Dementsprechend ist es in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführung möglich, die Dicke jeder der Brennstoffzelleneinheiten 2A und 2B zu reduzieren und die Dicke des Brennstoffzellenstapels 1 stark zu reduzieren, selbst wenn die Separatoren 4 und 5 durch Pressformung eines Metallmaterials gebildet sind.
Darüber hinaus kann der Brennstoffzellenstapel 1 gemäß den zweiten bis sechsten Ausführungen unter Verwendung der so durch Pressformung gebildeten Separatoren ausgebildet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie aus der obigen Beschreibung klar wird, ergibt die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte.

(1) Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in der Stapelrichtung Abschnitte einer Brennstoffzelleneinheit, wo die Brenngas-Verbindungswege ausgebildet sind, so nahe wie möglich, zu den Abschnitten der benachbarten Brennstoffzelleneinheit, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, zu verschieben. Dementsprechend kann die Dicke der Brennstoffzelleneinheiten an jenen Abschnitten, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, um den auf diese Weise eingesparten Betrag reduziert werden. Im Ergebnis erhält man einen Effekt, dass es möglich wird, die Dicke der Brennstoffzelle, die durch Aufstapeln einer Vielzahl der Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, stark zu reduzieren.
(2) Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Abschnitte einer Brennstoffzelleneinheit dort, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, so anzuordnen, dass sie über die Ebene der Elektrodenanordnung der benachbarten Brennstoffzelleneinheit vorstehen. Dementsprechend kann die Dicke der Brennstoffzelleneinheiten um den auf diese Weise eingesparten Betrag reduziert werden. Im Ergebnis erhält man einen Effekt, dass es möglich wird, die Dicke einer Brennstoffzelle, die durch Aufstapeln einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, weiter stark zu reduzieren.
(3) Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem dritten oder vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Abschnitte einer Brennstoffzelleneinheit dort, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, in der Stapelrichtung so nahe wie möglich an der benachbarten Brennstoffzelleneinheit anzuordnen. Darüber hinaus ist es in einem Fall, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege, die in einer der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege, die in der Stapelrichtung in der benachbarten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie in Bezug aufeinander in der Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen, bei Betrachtung in der Stapelrichtung, zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen versetzt sind, möglich, die Abschnitte des Separators einer Brennstoffzelleneinheit, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, und die Abschnitte des Separators der benachbarten Brennstoffzelleneinheit, wo die Reaktionsgas-Verbindungswege ausgebildet sind, bei Betrachtung in der Stapelrichtung nahe an der minimalen Dimension anzuordnen, die ausreicht, um die elektrische Isolationseigenschaft sicherzustellen. Im Ergebnis erhält man einen Effekt, dass es möglich wird, die Dicke einer Brennstoffzelle, die durch Aufstapeln einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, weiter stark zu reduzieren.
(4) Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Kühloberflächen-Dichtungselement und die Verbindungswege so anzuordnen, dass sie innerhalb einer Ebene in Bezug aufeinander im Wesentlichen überlappen. Dementsprechend kann die Dicke jeder der Brennstoffzelleneinheit um den durch die Überlappung eingesparten Betrag reduziert werden. Im Ergebnis erhält man einen Effekt, dass es möglich ist, die Dicke einer Brennstoffzelle, die durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, weiter stark zu reduzieren.
(5) Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung erhält durch Anordnen eines Kühloberflächen-Dichtungselements so, dass es von den Verbindungswegen in der Nähe der Reaktionsgas-Verbindungswege versetzt ist, und durch Anordnen des Kühloberflächen-Dichtungselements so, dass es in einer Reihe in der Dickenrichtung mit dem Gasdichtungselement in anderen Bereichen als der Nähe der Reaktionsgas-Verbindungswege ausgerichtet ist, einen Effekt, das es möglich wird, die Dicke des Brennstoffzellenstapels stark zu reduzieren, während eine Zunahme ihres Querschnitts verhindert wird.
(6) Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann durch Vorsehen eines konkaven Abschnitts in einem Separator, der den konvexen Abschnitt aufnimmt, der in dem benachbarten kontaktierenden Separator vorgesehen ist, eine weitere Dickenreduktion des gesamten Brennstoffzellenstapels vorteilhaft erreicht werden.

Es wird eine Brennstoffzelle vorgesehen, deren Größe sowie auch Gewicht reduziert ist, während ein abgedichteter Zustand jeweiliger Strömungspassagen durch jeweilige Dichtungselemente zwischen Separatoren und einer Elektrodenanordnung sichergestellt wird. In dieser Brennstoffzelle sind in jedem der Separatoren (4A, 5A, 4B, 5B) vorgesehen: Verbindungskanäle (17, 18, 20, 21, 19, 22) für Reaktionsgase und Kühlmedium, die außerhalb von Gasdichtungselementen (6Aa, 7Aa, 6Ba, 7Ba) vorgesehen sind, sowie Verbindungswege (23A, 23B, 25A, 25B), die um die Gasdichtungselemente (6Aa, 7Aa, 6Ba, 7Ba) in der Dickenrichtung der Separatoren (4A, 5A, 4B, 5B) herum gehen und die Reaktionsgas-Verbindungskanäle (17, 18, 20, 21) mit Gasströmungspassagen (8, 9) verbinden. Ein Kühloberflächen-Dichtungselement (27), das die Kühlmedium-Strömungspassage von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) abdichtet, ist an einer Position angeordnet, die von den Verbindungswegen (23A, 23B, 25A, 25B) zu den Verbindungslöchern (17, 18, 20, 21) hin verschoben ist. Zusätzlich sind konvexe Abschnitte (30A, 30B) zwischen den Reaktionsgas-Strömungspassagen (8, 9) und den Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) eines Separators (4, 5) vorgesehen, während konkave Abschnitte (32B, 30A), die den konvexen Abschnitt (30A, 30B) aufnehmen, in dem anderen Separator (5, 4) vorgesehen sind und konvexe Abschnitte (34B, 34A) hinter den konkaven Abschnitten (32B, 30A) ausgebildet sind.

Claims

Brennstoffzelleneinheiten (2A, 2B) aufweisende Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelleneinheiten (2A, 2B) gestapelt sind und zwischen sich zumindest eine Kühlmedium-Strömungspassage (28) aufweisen und wobei die Kühlmedium-Strömungspassage (28) durch ein Kühloberflächen-Dichtungselement (27) abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit (2A oder 2B) umfasst: eine Elektrodenanordnung (3), die durch Anordnen von Elektroden (11, 12) auf beiden Seiten eines Elektrolyten (10) ausgebildet ist; ein Paar von Separatoren (4A, 5A oder 4B, 5B), die die Elektrodenanordnung (3) in deren Dickenrichtung zwischen sich aufnehmen; und Gasdichtungselemente (6Aa, 7Aa oder 6Ba, 7Ba), die an einem Außenumfangsabschnitt der Elektrodenanordnung (3) angeordnet sind und die jeweilige Reaktionsgas-Strömungspassagen (8, 9) abdichten, die zwischen jedem Separator (4A, 5A oder 4B, 5B) und der Elektrodenanordnung (3) ausgebildet sind und die durch die Separatoren (4A, 5A oder 4B, 5B) und die Elektrodenanordnung (3) eingegrenzt sind, worin in jedem der Separatoren (4A, 5A oder 4B, 5B) Reaktionsgas-Verbindungskanäle (17, 18, 20, 21) und Kühlmedium-Verbindungskanäle (19, 20), die auswärts von den Gasdichtungselementen (6Aa, 7Aa oder 6Ba, 7Ba) vorgesehen sind, sowie Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 25A oder 23B, 25B), die um die Gasdichtungselemente (6Aa, 7Aa oder 6Ba, 7Ba) in der Dickenrichtung der Separatoren (4A, 5A oder 4B, 5B) herum gehen und die Reaktionsgas-Verbindungskanäle (17, 18, 20, 21) mit den Reaktionsgas-Strömungspassagen (8, 9) verbinden, vorgesehen sind, worin die Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 25A oder 23B, 25B), die in einer (2A oder 2B) der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege (23B, 25B oder 23A, 25A), die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit (2B oder 2A) ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung zueinander versetzt sind, und worin in zumindest einem der Separatoren (4A, 5A oder 4B, 5B) konvexe Abschnitte (34A, 35A oder 34B, 35B) vorgesehen sind, die von Rückseiten der Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 25A oder 23B, 25B) zumindest über einen Bereich, der den Reaktionsgas-Verbindungswegen (23A, 25A oder 23B, 25B) entspricht, vorstehen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 25A oder 23B, 25B), die in einer (2A oder 2B) der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege (23B, 25B oder 23A, 25A), die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit (2B oder 2A) ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in der Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen (8, 9) zueinander versetzt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 25A oder 23B, 25B), die in einer (2A oder 2B) der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege (23B, 25B oder 23A, 25A), in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit (2B oder 2A) ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in Richtung orthogonal zu der Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen (8, 9) zueinander versetzt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 25A oder 23B, 25B), die in einer (2A oder 2B) der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, und die entsprechenden Reaktionsgas-Verbindungswege (23B, 25B oder 23A, 25A), die in der in der Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheit (2B oder 2A) ausgebildet sind, so angeordnet sind, dass sie bei Betrachtung in der Stapelrichtung in einer diagonalen Richtung in Bezug auf die Richtung von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) zu den Reaktionsgas-Strömungspassagen (8, 9) zueinander versetzt sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Kühloberflächen-Dichtungselement (27), das die Kühlmedium-Strömungspassage (28) von den Reaktionsgas-Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) abdichtet, so angeordnet ist, dass es von den Reaktionsgas-Verbindungswegen (23A, 23B, 25A, 25B) zu den Reaktionsgas-Verbindungskanälen (17, 18, 20, 21) versetzt ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Kühloberflächen-Dichtungselement (27) bei Betrachtung in der Stapelrichtung im Wesentlichen an der gleichen Position wie die Gasdichtungselemente (6Aa, 6Ba, 7Aa, 7Ba) angeordnet sind, außer in der Nähe der Reaktionsgas-Verbindungswege (23A, 23B, 25A, 25B).
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin in zumindest einem der Separatoren (4A, 5A, 4B und 5B), der mit einem anderen Separator (4A, 5A, 4B oder 5B) in Kontakt steht, der mit einem konvexen Abschnitt (30A, 30B, 31A oder 31B) versehen ist, der von der Rückseite des Reaktionsgas-Verbindungswegs (23A, 25A, 23B oder 25B) über zumindest einen Bereich, der dem Reaktionsgas-Verbindungsweg (23A, 25A, 23B oder 25B) entspricht, vorsteht, ein konkaver Abschnitt (32B, 32A und 29B oder 29A) vorgesehen ist, der den konvexen Abschnitt (30A, 30B, 31A oder 31B) aufnimmt.