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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche dadurch
gebildet ist, dass eine Membranelektrodenanordnung und ein erster
und ein zweiter Metallseparator in einer Stapelrichtung gestapelt
sind. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine erste Elektrode,
eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und
der zweiten Elektrode angeordnete Elektrolytmembran. Die Oberflächenausdehnung
der zweiten Elektrode ist größer als
die Oberflächenausdehnung
der ersten Elektrode. Ein Reaktionsgas-Durchgang für wenigstens
ein Reaktionsgas erstreckt sich durch die Brennstoffzelle in der
Stapelrichtung.
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Beschreibung
des zugehörigen
Fachgebiets
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Eine
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet beispielsweise eine
Polymer-Ionenaustauschmembran als eine feste Polymerelektrolytmembran.
Die feste Polymerelektrolytmembran ist zwischen einer Anode und
einer Kathode angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu
bilden. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen Separatoren
aufgenommen, um eine Einheit einer Energieerzeugungszelle zum Erzeugen
von Elektrizität
zu bilden. In Gebrauch sind üblicherweise eine
vorbestimmte Anzahl der Energieerzeugungszellen aufeinander gestapelt,
um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Bei
der Energieerzeugungszelle wird ein Brenngas, wie beispielsweise
ein hauptsächlich Wasserstoff
enthaltendes Gas (im Folgenden auch als das "wasserstoffhaltige Gas" bezeichnet) zu der Anode
zugeführt.
Der Katalysator der Anode leitet eine chemische Reaktion des Brenngases
ein, um das Wasserstoffmolekül
in Wasserstoffionen und Elektronen aufzuspalten. Die Wasserstoffionen
bewegen sich durch die Elektrolytmembran zu der Kathode und die
Elektronen strömen
durch eine externe Schaltung zu der Kathode, wodurch elektrische
Energie mit einem Gleichstrom erzeugt wird. Ein hauptsächlich Sauerstoff
enthaltendes Gas oder Luft (im Folgenden auch als das "sauerstoffhaltige
Gas" bezeichnet)
wird zu der Kathode zugeführt.
An der Kathode werden Wasserstoffionen von der Anode mit dem Elektronen
und Sauerstoff kombiniert, um Wasser zu erzeugen.
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Bei
der Energieerzeugungszelle sind ein Brenngas-Strömungsfeld (Reaktionsgas-Strömungsfeld),
um zu ermöglichen,
dass das Brenngas entlang der Anode strömt, und ein Strömungsfeld
für sauerstoffhaltiges
Gas (Reaktionsgas-Strömungsfeld),
um zu ermöglichen,
dass das sauerstoffhaltige Gas entlang der Kathode strömt, in den
Oberflächen
der Separatoren gebildet. Ferner ist ein Kühlmittel-Strömungsfeld,
um zu ermöglichen,
dass ein Kühlmittel
in der Richtung parallel zu den Oberflächen der Separatoren strömt, in wenigstens
einer der Positionen zwischen den Energieerzeugungszellen gebildet.
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Als
ein Typ der Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle vom Typ mit
einem internen Verteiler bekannt. Bei der Brennstoffzelle vom Typ
mit einem internen Verteiler erstrecken sich Reaktionsgas-Zufuhrdurchgänge, Reaktionsgas-Auslassdurchgänge, ein
Kühlmittelzufuhrdurchgang
und ein Kühlmittelauslassdurchgang
durch die äußeren Bereiche
der Energieerzeugungszellen in der Stapelrichtung. Bei der Brennstoffzelle
sind der Reaktionsgas-Zufuhrdurchgang und der Reaktionsgas-Auslassdurchgang durch
einen Verbindungsbereich verbunden. Der Verbindungsbereich schneidet
allerdings die Dichtungslinie, welche um den Reaktionsgas-Zufuhrdurchgang
und den Reaktionsgas-Auslassdurchgang herum gebildet ist. Daher
muss beispielsweise ein Verstärkungsbauteil
entlang der Dichtungs linie vorgesehen sein.
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In
dieser Hinsicht schlägt
die japanische Patentveröffentlichungsschrift
Nr. 2002-83614 eine Brennstoffzelle vor, bei der es möglich ist,
den hermetisch abgedichteten Zustand mit einer einfachen Struktur
vollständig
beizubehalten. Wie in 9 gezeigt,
umfasst die Brennstoffzelle eine Einheitszelle 1 und Separatoren 2, 3,
welche die Einheitszelle 1 zwischen sich aufnehmen. Ein
weiterer Separator 4 ist auf den Separator 3 gestapelt.
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Ein
Verteiler 5 zur Zufuhr von Wasserstoff erstreckt sich in
der Stapelrichtung durch die Einheitszelle. Der Verteiler 5 ist
mit einer Nut 6 verbunden, welche an einer Oberfläche des
Separators 3 gebildet ist. Der Separator 3 weist
ein Durchgangsloch 7 auf. Das Durchgangsloch 7 ist
mit einem Brennstoff-Strömungsfeld 8 verbunden,
das an der anderen Oberfläche
des Separators 3 gebildet ist. Dichtungsbauteile 9a, 9b sind
um den Verteiler 5 zwischen der Einheitszelle 1 und
den Separatoren 2, 3 gebildet.
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Da
bei der Brennstoffzelle das Brennstoff-Strömungsfeld 8 mit dem
Verteiler 5 verbunden ist, ist die Nut 6 an der
dem Brennstoff-Strömungsfeld 8 gegenüberliegenden
Oberfläche
gebildet und die Nut 6 ist mit dem Brennstoff-Strömungsfeld 8 über das
Durchgangsloch 7 verbunden. Gemäß der Offenbarung kann mit
einer einfachen Struktur ohne irgendwelche Nuten, die die Dichtungsbauteile 9a, 9b schneiden,
die gewünschte
Dichtungs-Leistungsfähigkeit
erhalten werden.
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Bei
dem herkömmlichen
Verfahren sind die Separatoren 2 bis 4 Kohlenstoffseparatoren.
Daher kann ein Strömungsfeld
mit einer gewünschten
Form an beiden Oberflächen
der Separatoren 2 bis 4 individuell ausgebildet
werden. Wenn allerdings ein Metallseparator anstelle des Kohlenstoffseparators
verwendet wird, und wenn jeweils das Reaktionsgas-Strömungsfeld
und das Kühlmittel-Strömungsfeld
an beiden Oberflächen
des Metallseparators gebildet sind, begrenzt die Form des an einer
Oberfläche
des Metallseparators gebildeten Reaktionsgas-Strömungsfelds die Form des an
der anderen Oberfläche
des Metallseparators gebildeten Kühlmittel-Strömungsfelds.
Da ferner der Metallseparator durch Pressformen gebildet ist, kann
insbesondere zum Beispiel die Form am Ende des Strömungsfelds nicht
frei ausgestaltet werden.
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Wenn
daher die herkömmlichen
Separatoren 2 bis 4 unter Verwendung von Metall
hergestellt werden, ist es möglicherweise
nicht möglich,
den Verbindungsbereich, der das Durchgangsloch 7 und das Brennstoff-Strömungsfeld 8 verbindet,
zuverlässig vorzusehen.
In diesem Fall ist es nicht möglich,
den Brennstoff von dem Durchgangsloch 7 zu dem Brennstoff-Strömungsfeld 8 störungsfrei
zuzuführen, und
die Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit
ist verschlechtert. Ferner kann die Einheitszelle 1 nicht durch
den Metallseparator gehalten werden, und die Einheitszelle 1 kann
auf unerwünschte
Art und Weise beschädigt
werden, wenn eine Spannlast an die Einheitszelle 1 angelegt
wird.
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Überblick über die
Erfindung
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle
bereitzustellen, bei der es mit einer einfachen und kompakten Struktur möglich ist,
die gewünschte
Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit
bereitzustellen, und eine Beschädigung
einer Membranelektrodenanordnung zu verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche durch
Stapeln einer Membranelektrodenanordnung zwischen einem Paar von
einem ersten und einem zweiten Metallseparator in einer Stapelrichtung
gebildet ist. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine erste
und eine zweite Elektrode und einen zwischen der ersten und der
zweiten Elektrode angeordneten Elektrolyten. Die Oberflächenausdehnung
der zweiten Elektrode ist größer als die
Oberflächenausdehnung
der ersten Elektrode. Ein Reaktionsgas-Durchgang für wenigstens ein Reaktionsgas
erstreckt sich durch die Brennstoffzelle in der Stapelrichtung.
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Der
erste Metallseparator umfasst ein Reaktionsgas-Strömungsfeld,
das an einer ersten Oberfläche
gebildet ist, die der ersten Elektrode zugewandt ist, um das Reaktionsgas
zu der ersten Elektrode zuzuführen,
und ein Durchgangsloch, um es zu ermöglichen, dass das zu der zweiten
Oberfläche
des ersten Metallseparators zugeführte Reaktionsgas sich zu der
ersten Oberfläche
bewegt, um das Reaktionsgas zu dem Reaktionsgas-Strömungsfeld
zuzuführen.
Ein Dichtungsbauteil ist integral mit dem ersten Metallseparator
gebildet, und das Dichtungsbauteil umfasst eine Strömungsnut
zum Führen
des Reaktionsgases von dem Durchgangsloch zu dem Reaktionsgas-Strömungsfeld,
und eine Aufnahme, welche in direkter Berührung mit der ersten Elektrode
steht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche des
ersten Metallseparators strömende
Reaktionsgas über
die Strömungsnut
des Dichtungsbauteils störungsfrei
und zuverlässig
zu dem Brenngas-Strömungsfeld
zugeführt.
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Das
Dichtungsbauteil umfasst die Strömungsnut
und die Aufnahme. Die Aufnahme steht in direkter Berührung mit
der ersten Elektrode. Die Oberflächenausdehnung
der ersten Elektrode ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode.
Wenn bei dieser Struktur eine Spannlast in der Stapelrichtung an
die Brennstoffzelle angelegt wird, wird die erste Elektrode durch
die Aufnahme zuverlässig
gehalten. Daher ist es mit einer einfachen und kompakten Struktur
möglich,
eine Beschädigung der
Membranelektrodenanordnung geeignet zu verhindern, und zu erreichen,
dass ein gleichmäßiger Flächendruck
an die Membranelektrodenanordnung angelegt wird, um die Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit
zu verbessern.
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Die
obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den
beigefügten
Zeichnungen weiter ersichtlich, wobei bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung als ein erläuterndes Beispiel gezeigt sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, welche schematisch Hauptkomponenten
einer Energieerzeugungszelle eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die die Brennstoffzelle zeigt und entlang
Linie II-II in 1 aufgenommen ist;
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3 ist
eine Vorderansicht, die einen ersten Metallseparator der Energieerzeugungszelle zeigt;
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4 ist
eine Vorderansicht, die eine Oberfläche eines zweiten Metallseparators
der Energieerzeugungszelle zeigt;
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5 ist
eine Vorderansicht, die die andere Oberfläche des zweiten Metallseparators
zeigt;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht, welche einen Zustand zeigt, bei dem
der zweite Metallseparator entlang Einlass-Durchgangslöchern geschnitten
ist;
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7 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Brennstoffzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
zeigt;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht, welche einen Zustand zeigt, bei dem
ein zweiter Metallseparator der Brennstoffzelle entlang Einlass-Durchgangslöchern geschnitten
ist; und
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9 ist
eine teilweise Querschnittsansicht, welche eine herkömmliche
Brennstoffzelle zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht als Explosionsdarstellung, welche Hauptkomponenten einer
Energieerzeugungszelle 12 einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Brennstoffzelle 10 zeigt,
die durch Stapeln einer Mehrzahl von Energieerzeugungszellen 12 in
einer durch einen Pfeil A angezeigten horizontalen Richtung gebildet
ist, entlang einer Linie II-II in 2 aufgenommen.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die Energieerzeugungszelle 12 eine
Membranelektrodenanordnung 14, einen anodenseitigen Metallseparator
(erster Metallseparator) 18 und einen kathodenseitigen Metallseparator
(zweiter Metallseparator) 16, welche die Membranelektrodenanordnung 14 zwischen
sich aufnehmen. Der kathodenseitige Metallseparator 16 und
der anodenseitige Metallseparator 18 sind dünne Metallplatten,
wie beispielsweise Stahlplatten, Edelstahlplatten, Aluminiumplatten
oder beschichtete Stahlbleche.
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An
einem Ende der Energieerzeugungszelle 12 in einer horizontalen
Richtung, die in 1 durch einen Pfeil B angezeigt
ist, sind ein Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas zur
Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases, ein Kühlmittelauslassdurchgang 22b zum
Auslassen eines Kühlmittels
und ein Brenngasauslassdurchgang 24b zum Auslassen eines
Brenngases, wie beispielsweise eines wasserstoffhaltigen Gases,
vertikal in einer durch einen Pfeil C angezeigten Richtung angeordnet.
Der Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas, der
Kühlmittelauslassdurchgang 22b und
der Brenngasauslassdurchgang 24b erstrecken sich durch
die Energieerzeugungszelle 12 in der durch den Pfeil A
angezeigten Richtung.
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Am
anderen Ende der Energieerzeugungszelle 12 in der durch
den Pfeil B angezeigten Richtung sind ein Brenngaszufuhrdurchgang 24a zur
Zufuhr des Brenngases, ein Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a zur
Zufuhr des Kühlmittels
und ein Auslassdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges Gas zum
Auslassen des sauerstoffhaltigen Gases in der durch den Pfeil C angezeigten
Richtung angeordnet. Der Brenngaszufuhrdurchgang 24a, der
Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a und
der Auslassdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken
sich durch die Energieerzeugungszelle 12 in der durch den
Pfeil A angezeigten Richtung.
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Der
kathodenseitige Metallseparator 16 weist an seiner der
Membranelektro denanordnung 14 zugewandten Oberfläche 16a ein
Strömungsfeld 26 für sauerstoffhaltiges
Gas auf. Der kathodenseitige Metallseparator 16 ist geriffelt,
um eine Mehrzahl von Nuten 28 des Strömungsfelds 26 für sauerstoffhaltiges
Gas zu definieren. Die Nuten 28 erstrecken sich in einem
Schlangenlinienmuster, welches z.B. zwei Bogenabschnitte und drei
gerade Abschnitte aufweist, um zu ermöglichen, dass das sauerstoffhaltige
Gas in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung hin- und herströmt. Das
Strömungsfeld 26 für sauerstoffhaltiges
Gas ist über
einen Einlasspuffer 32a mit dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges
Gas verbunden, und über
einen Auslasspuffer 32b mit dem Auslassdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges
Gas verbunden. Der Einlasspuffer 32a und der Auslasspuffer 32b umfassen
jeweils beispielsweise Vorsprünge
oder Vertiefungen.
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Wie
in 3 gezeigt, ist eine Mehrzahl von Nuten 34a als
Teil eines Kühlmittel-Strömungsfelds 34 an
der anderen Oberfläche 16b des
kathodenseitigen Metallseparators 16 gebildet. Die Form
der Nuten 34a des Kühlmittel-Strömungsfelds 34 entspricht der
Form der Nuten 28 des Strömungsfelds 26 für sauerstoffhaltiges
Gas. Die Nuten 34a sind mit dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a und
dem Kühlmittelauslassdurchgang 22b über einen
Einlasspuffer 36a und einen Auslasspuffer 36b verbunden,
welche jeweils Vorsprünge
oder Vertiefungen umfassen.
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Ein
erstes Dichtungsbauteil 40 ist integral auf den Oberflächen 16a, 16b des
kathodenseitigen Metallseparators 16 gebildet, z.B. durch
Einbrennen oder Spritzgießen
um das äußere Ende
des kathodenseitigen Metallseparators 16. Das erste Dichtungsbauteil 40 bedeckt
die Innenflächen
des Zufuhrdurchgangs 20a für sauerstoffhaltiges Gas, des
Kühlmittelauslassdurchgangs 22b,
des Brenngasauslassdurchgangs 24b, des Brenngaszufuhrdurchgangs 24a,
des Kühlmittelzufuhrdurchgangs 22a und
des Auslassdurchgangs 20b für sauerstoffhaltiges Gas. Das
erste Dichtungsbauteil 40 ist aus einem Dichtungsmaterial,
Polstermaterial oder Packungsmaterial hergestellt, wie beispielsweise
EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer),
NBR (Nitril-Butadien-Gummi), Fluorogummi, Silikongummi, Fluorosilikongummi,
Butylgummi (Isobuten-Isopren-Gummi), natürlichem Gummi, Styrengummi,
Chloroprengummi oder Akrylgummi.
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Das
erste Dichtungsbauteil 40 weist eine planare Form auf.
Wie in 1 gezeigt, ist eine erste planare Dichtung 40a auf
der Oberfläche 16a gebildet.
Die erste planare Dichtung 40a verhindert ein Lecken des
sauerstoffhaltigen Gases, während
sie ermöglicht,
dass das sauerstoffhaltige Gas zwischen dem Strömungsfeld 26 für sauerstoffhaltiges
Gas und dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas strömt, und
zwischen dem Strömungsfeld 26 für sauerstoffhaltiges
Gas und dem Auslassdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges Gas. Wie
in 3 gezeigt, ist eine zweite planare Dichtung 40b auf
der Oberfläche 16b gebildet.
Die zweite planare Dichtung 40b verhindert ein Lecken des
Kühlmittels,
während
sie ermöglicht,
dass das Kühlmittel
zwischen dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a und
dem Kühlmittel-Strömungsfeld 34 strömt, und
zwischen dem Kühlmittel-Strömungsfeld 34 und
dem Kühlmittelauslassdurchgang 22b.
Die zweite planare Dichtung 40b ist länger (breiter) als die erste
planare Dichtung 40a (siehe 2).
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Wie
in 4 gezeigt, weist der anodenseitige Metallseparator 18 ein
Brenngas-Strömungsfeld 50 an
seiner Oberfläche
(ersten Oberfläche) 18a auf, die
der Membranelektrodenanordnung 14 zugewandt ist. Der anodenseitige
Metallseparator 18 ist geriffelt, um eine Mehrzahl von
Nuten 52 des Brenngas-Strömungsfelds 50 zu definieren.
Die Nuten 52 erstrecken sich in einem Schlangenlinienmuster,
welches zwei Bogenabschnitte und drei gerade Abschnitte aufweist,
um zu ermöglichen,
dass das Brenngas in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung
hin- und herströmt.
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Das
Brenngas-Strömungsfeld 50 ist
mit dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a an der Oberfläche (zweiten
Oberfläche) 18b über einen
Einlasspuffer 54a und Einlass-Durchgangslöcher 55a verbunden, und
ist mit dem Brenngasauslassdurchgang 24b an der Oberfläche 18b über einen
Auslasspuffer 54b und Auslass-Durchgangslöcher 55b verbunden.
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Wie
in 1 und 5 gezeigt, weist der anodenseitige
Metallseparator 18 Nuten 34b als Teil des Kühlmittel-Strömungsfelds 34 an
der Oberfläche 18b auf,
welche der Oberfläche 18a gegenüber liegt. Die
Form der Nuten 34b des Kühlmittel-Strömungsfelds 34 entspricht
der Form der Nuten 52 des Brenngas-Strömungsfelds 50. Die
Nuten 34b sind über
einen Einlasspuffer 56a mit dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a verbunden
und sind über
einen Auslasspuffer 56b mit dem Kühlmittelauslassdurchgang 22b verbunden.
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Ein
zweites Dichtungsbauteil 58 ist integral an den Oberflächen 18a, 18b des
anodenseitigen Metallseparators 18 um das äußere Ende
des anodenseitigen Metallseparators 18 herum gebildet.
Das zweite Dichtungsbauteil 58 bedeckt die Innenflächen des
Zufuhrdurchgangs 20a für
sauerstoffhaltiges Gas, des Kühlmittelauslassdurchgangs 22b,
des Brenngasauslassdurchgangs 24b, des Brenngaszufuhrdurchgangs 24a,
des Kühlmittelzufuhrdurchgangs 22a und
des Auslassdurchgangs 20b für sauerstoffhaltiges Gas. Das
Material des zweiten Dichtungsbauteils 58 ist gleich dem
Material des ersten Dichtungsbauteils 40.
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Wie
in 4 gezeigt, umfasst das zweite Dichtungsbauteil 58 einen äußeren Vorsprung 60 und
einen inneren Vorsprung 62 an der Oberfläche 18a des
anodenseitigen Metallseparators 18. Der innere Vorsprung 62 ist
von dem äußeren Vorsprung 60 um
einen vorbestimmten Abstand nach innen angeordnet. Der innere Vorsprung 62 berührt einen äußeren Randbereich
einer festen Polymerelektrolytmembran 80, welche später beschrieben
werden wird, um das Brenngas-Strömungsfeld 50 zu
schließen
(siehe 2).
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Wie
in 5 gezeigt, umfasst das zweite Dichtungsbauteil 58 einen äußeren Vorsprung 64 und
einen inneren Vorsprung 66 an der Oberfläche 18b des
anodenseitigen Metallseparators 18. Der innere Vorsprung 66 ist
von dem äußeren Vorsprung 64 um
einen vorbestimmten Abstand weiter nach innen angeordnet und umgibt
das Kühlmittel-Strömungsfeld 34.
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Wie
in 4 und 6 gezeigt, umfasst das zweite
Dichtungsbauteil 58 eine Mehrzahl von Strömungsnuten 68 und
eine Mehrzahl von Aufnahmen 70, welche abwechselnd angeordnet
sind. Die Strömungsnuten 68 führen das
Brenngas von den Einlass-Durchgangslöchern 55a zu dem Brenngas-Strömungsfeld 50 durch
den Einlasspuffer 54a, und die Aufnahmen 70 stehen
in direkter Berührung
mit einer Anode 84, welche später beschrieben werden wird.
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Ferner
umfasst, wie in 4 gezeigt, das zweite Dichtungsbauteil 58 eine
Mehrzahl von Strömungsnuten 72 und
eine Mehrzahl von Aufnahmen 74, welche abwechselnd angeordnet
sind. Die Strömungsnuten 72 führen das
verbrauchte Brenngas von dem Brenngas-Strömungsfeld 50 durch
den Auslasspuffer 54b in die Auslass-Durchgangslöcher 55b, und
die Aufnahmen 74 stehen in direkter Berührung mit der Anode 84.
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Wie
in 1 gezeigt, sind an gegenüberliegenden Enden der Membranelektrodenanordnung 14 in
der durch den Pfeil B angezeigten Richtung mittlere Abschnitte der
Membranelektrodenanordnung 14 nach innen weggeschnitten.
Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst die Membranelektrodenanordnung 14 die
Anode (erste Elektrode) 84, eine Kathode (zweite Elektrode) 82 und
die feste Polymerelektrolytmembran 80, welche zwischen
der Anode 84 und der Kathode 82 angeordnet ist.
Die feste Polymerelektrolytmembran 80 ist zum Beispiel
durch Imprägnieren
einer dünnen
Membran aus perfluosulfonischer Säure mit Wasser gebildet. Die
Oberflächenausdehnung
der Anode 84 ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Kathode 82.
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Sowohl
die Kathode 82 als auch die Anode 84 weisen eine
Gasdiffusionsschicht auf (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein
Kohlenstoffpapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht
gezeigt) aus einer Platinlegierung, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln abgestützt ist.
Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf der Oberfläche der
Gasdiffusionsschicht beschichtet. Die Elektrodenkatalysatorschicht
der Kathode 82 und die Elektrodenkatalysatorschicht der
Anode 84 sind jeweils an den beiden Oberflächen der
festen Polymerelektrolytmembran 80 befestigt.
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Als
nächstes
wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, wird ein Brenngas, wie beispielsweise
ein wasserstoffhaltiges Gas, zu dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a zugeführt, ein
sauerstoffhaltiges Gas wird zu dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges
Gas zugeführt
und ein Kühlmittel,
wie beispielsweise reines Wasser, Ethylenglykol oder Öl wird zu
dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a zugeführt.
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Daher
bewegt sich, wie in 1, 2 und 4 gezeigt,
das Brenngas von dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a durch
die Einlass-Durchgangslöcher 55a von
der Oberfläche 18b zu
der Oberfläche 18a des
anodenseitigen Metallseparators 18. Dann strömt das Brenngas
durch den Einlasspuffer 54a und strömt in das Brenngas-Strömungsfeld 50 des anodenseitigen
Metallseparators 18. Das Brenngas strömt in der durch den Pfeil B
angezeigten Richtung hin und her, und wird zu der Anode 84 der
Membranelektrodenanordnung 14 zugeführt.
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Wie
in 1 gezeigt, strömt
das sauerstoffhaltige Gas von dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges
Gas durch den Einlasspuffer 32a und strömt in das Strömungsfeld 26 für sauerstoffhaltiges Gas
des kathodenseitigen Metallseparators 16. Das sauerstoffhaltige
Gas strömt
entlang der durch den Pfeil B angezeigten Richtung hin und her,
und wird zu der Kathode 82 der Membranelektrodenanordnung 14 zugeführt.
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Daher
werden in der Membranelektrodenanordnung 14 das zu der
Anode 84 zugeführte
Brenngas und das zu der Kathode 82 zugeführte sauerstoffhaltige
Gas bei den elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten
der Anode 84 und der Kathode 82 zur Erzeugung
von Elektrizität
verbraucht.
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Nachdem
das Brenngas an der Anode 84 verbraucht ist, strömt das Brenngas
von dem Auslasspuffer 54b zu der Oberfläche 18b durch die
Aus lass-Durchgangslöcher 55b,
und wird entlang dem Brenngasauslassdurchgang 24b in der
durch den Pfeil A angezeigten Richtung ausgelassen (siehe 1 und 4). Ähnlich wird,
nachdem das sauerstoffhaltige Gas an der Kathode 82 verbraucht
ist, das sauerstoffhaltige Gas von dem Auslasspuffer 32b in
der durch den Pfeil A angezeigten Richtung entlang dem Auslassdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges
Gas ausgelassen (siehe 1).
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Ferner
strömt
das zu dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a zugeführte Kühlmittel
durch die Einlasspuffer 36a, 56a und strömt in das
Kühlmittel-Strömungsfeld 34 zwischen
dem kathodenseitigen Metallseparator 16 und dem anodenseitigen
Metallseparator 18. Nachdem das Kühlmittel zum Kühlen der Membranelektrodenanordnung 14 verwendet
ist, strömt
das Kühlmittel
durch die Auslasspuffer 36b, 56b und wird in den
Kühlmittelauslassdurchgang 22b ausgelassen.
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Bei
der ersten Ausführungsform,
wie in 2, 4 und 6 gezeigt,
umfasst das zweite Dichtungsbauteil 58 die Strömungsnuten 68 und
die Aufnahmen 70, welche abwechselnd angeordnet sind. Die
Strömungsnuten 68 führen das
Brenngas von den Einlass-Durchgangslöchern 55a durch den Einlasspuffer 54a zu
dem Brenngas-Strömungsfeld 50,
und die Aufnahmen 70 stehen in direkter Berührung mit
der Anode 84.
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Daher
wird das von der Oberfläche 18b zu der
Oberfläche 18a des
anodenseitigen Metallseparators 18 durch die Einlass-Durchgangslöcher 55a strömende Brenngas
störungsfrei
und zuverlässig durch
die Strömungsnuten 68 des
zweiten Dichtungsbauteils 58 zu dem Brenngas-Strömungsfeld 50 zugeführt.
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Das
zweite Dichtungsbauteil 58 umfasst die Strömungsnuten 68 und
die Aufnahmen 70, welche abwechselnd angeordnet sind. Die
Aufnahmen 70 stehen in direkter Berührung mit der Anode 84 der Membranelektrodenanordnung 14.
Die Oberflächenausdehnung
der Anode 84 ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Kathode 82.
Wenn bei dieser Struktur eine Spannlast in der Stapelrichtung an
die Brennstoffzelle 10 angelegt wird, wird die Anode 84 durch
die Aufnahmen 70 zuverlässig
gehalten. Daher ist es mit einer einfachen und kompakten Struktur möglich, eine
Beschädigung
der Membranelektrodenanordnung 14 geeignet zu verhindern,
und einen gleichmäßigen Oberflächendruck
an die Membranelektrodenanordnung 14 anzulegen, um die
Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit
zu verbessern.
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Ferner
umfasst das zweite Dichtungsbauteil 58 die Strömungsnuten 72 und
die Aufnahmen 74, welche abwechselnd angeordnet sind. Die
Strömungsnuten 72 sind
dazu vorgesehen, um das Brenngas von dem Brenngas-Strömungsfeld 50 durch
die Auslass-Durchgangslöcher 55b auszulassen.
Daher können
die gleichen Vorteile, wie oben beschrieben, erhalten werden.
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7 ist
eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelle 90 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. In 7 sind die
Aufbauelemente, welche mit denen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine
Beschreibung derselben wird weggelassen.
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Die
Brennstoffzelle 90 umfasst eine Mehrzahl von Energieerzeugungszellen 92.
Jeder der Energieerzeugungszellen 92 umfasst die Membranelektrodenanordnung 14,
den kathodenseitigen Metallseparator 16 und einen anodenseitigen
Metallseparator (ersten Metallseparator) 94, welche die
Membranelektrodenanordnung 14 zwischen sich aufnehmen. Ein
zweites Dichtungsbauteil 96 ist integral an dem anodenseitigen
Metallseparator 94 um ein äußeres Ende des anodenseitigen
Metallseparators 94 herum gebildet.
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Wie
in 7 und 8 gezeigt, bedeckt das zweite
Dichtungsbauteil 96 Innenwände von Einlass-Durchgangslöchern 55a.
An den Einlass-Durchgansglöchern 55a umfasst
das zweite Dichtungsbauteil 96 eine Mehrzahl von Strömungsnuten 68 und eine
Mehrzahl von Aufnahmen 70, welche abwechselnd angeordnet
sind. Die Strömungsnuten 68 führen das
Brenngas von den Einlass-Durchgangglöchern 55a durch den
Einlasspuffer 54a zu dem Brenngas-Strömungsfeld 50, und
die Aufnahmen 70 stehen in direkter Berührung mit der Anode 84.
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Ferner
bedeckt das zweite Dichtungsbauteil 96, obwohl dies nicht
gezeigt ist, auch Innenwände von
Auslass-Durchgangslöchern 55b.
An den Auslass-Durchgansglöchern 55b umfasst
das zweite Dichtungsbauteil 96 ebenfalls eine Mehrzahl
von Strömungsnuten
und eine Mehrzahl von Aufnahmen, welche abwechselnd angeordnet sind.
Die Strömungsnuten
führen
das verbrauchte Brenngas von dem Brenngas-Strömungsfeld 50 durch
den Auslasspuffer 54b in die Auslass-Durchgangslöcher 55b, und
die Aufnahmen stehen in direkter Berührung mit der Anode 84.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
ist das zweite Dichtungsbauteil 96 integral mit dem anodenseitigen
Metallseparator 94 gebildet. Das zweite Dichtungsbauteil 96 bedeckt
die Innenwände
der Einlass-Durchgangslöcher 55a.
Daher wird eine Eluierung von Metallionen von den Innenwänden der Einlass-Durchgangslöcher 55a verhindert.
Ferner ist es möglich,
das Auftreten von elektrischer Korrosion bei dem anodenseitigen
Metallseparator 94 zuverlässig zu unterdrücken.
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Eine
Energieerzeugungszelle (12) umfasst eine Membranelektrodenanordnung
(14), einen kathodenseitigen Metallseparator (16)
und einen anodenseitigen Metallseparator (18), welche die
Membranelektrodenanordnung (14) zwischen sich aufnehmen.
Ein Dichtungsbauteil (58) bedeckt Innenflächen von
Einlass-Durchgangslöchern
(55a). Das Dichtungsbauteil (58) umfasst eine
Mehrzahl von Strömungsnuten
(68) und eine Mehrzahl von Aufnahmen (70). Die
Strömungsnuten
(68) führen
ein Brenngas von den Einlass-Durchgangglöchern (55a) über einen
Einlasspuffer (54a) zu einem Brenngas-Strömungsfeld
(50). Die Aufnahmen (70) stehen in direkter Berührung mit
einer Anode (84).