DE102018222609A1

DE102018222609A1 - Stromerzeugungszelle

Info

Publication number: DE102018222609A1
Application number: DE102018222609.1A
Authority: DE
Inventors: Kentaro Ishida; Yu TOMANA; Akihito GIGA
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: CN109962257A; US10741861B2; CN109962257B; JP2019114509A; DE102018222609B4; JP6649938B2; US20190198902A1

Abstract

Eine Stromerzeugungszelle (12) ist mit einer MEA (28) ausgestattet, an der ein Kunststoffrahmen angebracht ist, sowie einem ersten Metallseparator (30). In dem ersten Metallseparator (30) sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48, durch das ein sauerstoffhaltiges Gas entlang einer Elektrodenoberfläche fließt, ein Außenumfangswulst (54), der das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (48) umgibt und der eine Leckage eines Reaktionsgases verhindert, sowie eine Mehrzahl von ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (84), die einen Vorbeifluss des Reaktionsgases verhindern, vorgesehen. Konvexe Zwischenabschnitte (89), die die Kunststofffolie (46) stützen, sind zwischen einander benachbarten der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte (84) vorgesehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungszelle, die mit Metallseparatoren ausgestattet ist, in denen Wulstdichtungen und konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte vorgesehen sind.
Beschreibung der verwandten Technik:
Allgemein werden in einer Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle Festpolymer-Elektrolytmembranen verwendet, die aus einer Polymerionen-Austauschermembran aufgebaut sind. Die Brennstoffzelle enthält eine Elektrolytelektroden-Anordnung, zum Beispiel eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), in der eine Anode auf einer Oberfläche der Festpolymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathode auf der anderen Oberfläche der Festpolymer-Elektrolytmembran angeordnet ist. Die MEA ist zwischen Separatoren (Bipolarplatten) geschichtet, um hierdurch eine Stromerzeugungszelle (Einheit-Brennstoffzelle) zu bilden. Durch Stapeln einer vorbestimmten Anzahl solcher Stromerzeugungszellen werden diese zum Beispiel als Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel verwendet.
Es gibt Fälle, in denen in der Stromerzeugungszelle als Separatoren Metallseparatoren verwendet werden. Ein Anoden-seitiger Metallseparator, in dem ein Brenngasfließfeld ausgebildet ist, um einen Brenngasfluss als ein Reaktionsgas entlang einer Anode zu erlauben, ist auf einer Seitenfläche der MEA angeordnet, und ein Kathoden-seitiger Separator, in dem ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld ausgebildet ist, um den Fluss eines sauerstoffhaltigen Gases als anderes Reaktionsgas entlang einer Kathode zu erlauben, ist auf der anderen Seitenfläche der MEA angeordnet.
Übrigens ist im japanischen Patent JP 5239091 B2 offenbart worden, durch Pressformung eine konvexe Wulstdichtung als Dichtungsabschnitt (Begrenzungswand 7) auszubilden, um die Herstellungskosten in einem Metallseparator zu senken. Ferner sind im japanischen Patent JP 5239091 eine Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (Begrenzungselemente 10) zwischen der Wulstdichtung und einem Reaktionsgas-Fließfeld vorgesehen, um den Vorbeifluss des Reaktionsgases an einem Endabschnitt des Reaktionsgas-Fließfelds zu verhindern, das in einer Fließfeld-Breitenrichtung in dem Metallseparator vorgesehen ist.
Andererseits ist in den letzten Jahren eine MEA verwendet worden, die mit einer Kunststofffolie ausgestattet ist, deren Außenumfangsabschnitt in eine rahmenförmige Kunststofffolie eingebaut ist, um die Menge zu reduzieren, die für die relativ teure Festpolymer-Elektrolytmembran verwendet wird, einhergehend damit, die Festpolymer-Elektrolytmembran zu schützen, die in der Form einer dünnen Folie mit geringer Festigkeit vorliegt (siehe zum Beispiel japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2008-130433 A ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben erwähnte herkömmliche Technik erdacht worden, und hat zum Ziel, eine Stromerzeugungszelle anzugeben, die mit Metallseparatoren ausgestattet ist, in denen eine Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten ausgebildet sind, und die in der Lage ist, eine Kunststofffolie, die am Außenumfangsabschnitt einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, stabil zu stützen.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird eine Stromerzeugungszelle angegeben, welche aufweist: eine mit Kunststofffolie ausgestattete Membranelektrodenanordnung und auf beiden Seiten der mit Kunststofffolie ausgestatteten Membranelektrodenanordnung angeordnete Metallseparatoren, wobei die mit Kunststofffolie ausgestattete Membranelektrodenanordnung eine Membranelektrodenanordnung ist, die mit auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran vorgesehenen Elektroden ausgebildet ist, sowie eine Kunststofffolie mit einer Rahmenform, die über einen gesamten Außenumfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung vorgesehen ist, enthält, und wobei Reaktionsgasfließfelder, die erlauben, dass Reaktionsgase entlang Stromerzeugungsoberflächen fließen, von einem Ende zu einem anderen Ende der Metallseparatoren ausgebildet sind, und Wulstdichtungen vorgesehen sind, die die Reaktionsgasfließfelder umgeben und konfiguriert sind, um eine Leckage der Reaktionsgase zu verhindern, wobei die Reaktionsgasfließfelder eine Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen enthalten, die sich von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren erstrecken, sowie eine Mehrzahl von Fließfeld-Nuten, die zwischen der Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen ausgebildet sind, und wobei eine Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten, die konfiguriert sind, um einen Vorbeifluss der Reaktionsgase zu verhindern, an Intervallen in Erstreckungsrichtung der Fließfeld-bildenden Vorsprünge zwischen Abschnitten der Wulstdichtungen, die sich von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren erstrecken, und den Fließfeld-bildenden Vorsprüngen, die an Enden in einer Fließfeld-Breitenrichtung der Reaktionsgas-Fließfelder angeordnet sind, vorgesehen sind; wobei konvexe Zwischenabschnitte, die konfiguriert sind, um die Kunststofffolie zu stützen, in zumindest einem eines Paars der Metallseparatoren zwischen einander benachbarten der konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte vorgesehen sind.
Bevorzugt sind die konvexen Zwischenabschnitte jeweils in einem der Metallseparatoren und einem anderen der Metallseparatoren vorgesehen.
Bevorzugt weisen die an dem einen der Metallseparatoren vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte zu den an dem anderen der Metallseparatoren vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitten, mit der dazwischen eingefügten Membranelektroden-Anordnung.
Bevorzugt unterscheiden sich die Formen der konvexen Zwischenabschnitte zwischen dem Paar von Metallseparatoren voneinander.
Bevorzugt haben die an dem einen der Metallseparatoren vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte und die an dem anderen der Metallseparatoren vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte Formen, die sich entlang einander schneidenden Richtungen erstrecken.
Bevorzugt erstrecken sich die die an dem einen der Metallseparatoren vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte entlang der Fließfeld-Breitenrichtung; und erstrecken sich die an dem anderen der Metallseparatoren vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte entlang der Erstreckungsrichtung der Fließfeld-bildenden Vorsprünge.
Bevorzugt sind die Wulstdichtungen, in Draufsicht bei Betrachtung aus Dickenrichtung der Metallseparatoren, wellenförmig; wobei Seitenwände der Wulstdichtungen, die zu den an den Enden angeordneten Fließeld-bildenden Vorsprüngen weisen, konkave Seitenwände enthalten, die so gekrümmt sind, dass sie in Bezug auf die Fließeld-bildenden Vorsprünge vertieft sind, sowie konvexe Seitenwände, die gekrümmt sind, sodass sie in Bezug auf die Fließfeld-bildenden Vorsprünge auswärts gewölbt sind; die konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte an den konkaven Seitenwänden benachbarten Positionen angeordnet sind; und die konvexen Zwischenabschnitte an den konvexen Seitenwänden benachbarten Positionen angeordnet sind.
Bevorzugt sind die konvexen Zwischenabschnitte über Lücken den konvexen Seitenwänden benachbart angeordnet.
Bevorzugt sind eine Mehrzahl der konvexen Zwischenabschnitte parallel zwischen einander benachbarten der konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte angeordnet.
Gemäß der Stromerzeugungszelle der vorliegenden Erfindung sind die konvexen Zwischenabschnitte, die die Kunststofffolie tragen, zwischen einander benachbarten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten angeordnet. Daher kann die Kunststofffolie nicht nur von der Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten gestützt werden, sondern auch an Stellen zwischen den konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten. Dementsprechend ist es möglich, die Kunststofffolie stabil zu stützen.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, in denen eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist eine Explosionsperspektivansicht einer Stromerzeugungszelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht der Stromerzeugungszelle entlang Linie II-II in den 1 und 4;
3 ist eine Draufsicht der Stromerzeugungszelle bei Betrachtung der Seite eines ersten Metallseparators;
4 ist eine vergrößerte Draufsicht von Hauptteilen den ersten Metallseparators;
5 ist eine Draufsicht der Stromerzeugungszelle bei Betrachtung von der Seite eines zweiten Metallseparators;
6 ist eine vergrößerte Draufsicht von Hauptteilen des zweiten Metallseparators; und
7 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem der zweite Metallseparator auf den ersten Metallseparator gestapelt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführung einer Stromerzeugungszelle gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen aufgezeigt und beschrieben.
Eine Stromerzeugungszelle 12, die eine in 1 gezeigte Einheitsbrennstoffzelle aufbaut, umfasst eine mit Kunststofffolie ausgestattete MEA 28, einen ersten Metallseparator 30, der auf einer Seitenoberfläche (einer Seite in Richtung des Pfeils A1) der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 angeordnet ist, sowie einen zweiten Metallseparator 32, der auf der anderen Seitenoberfläche (Seite in Richtung des Pfeils A2) der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 angeordnet ist. Eine Mehrzahl der Stromerzeugungszellen 12 sind zum Beispiel in Richtung des Pfeils A (horizontale Richtung) oder in Richtung des Pfeils C (Schwerkraftrichtung) gestapelt, und eine Dichtziehlast (Kompressionslast) in der Stapelrichtung wird ausgeübt, um hierdurch den Brennstoffzellenstapel 10 aufzubauen. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist zum Beispiel als Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel in ein elektrisches Brennstoffzellenfahrzeug (nicht gezeigt) eingebaut.
Der erste Metallseparator 30 und der zweite Metallseparator 32 sind durch Pressformung eines Stahlblechs, eines rostfreien Stahlblechs, eines Aluminiumblechs, eines galvanisierten Stahlblechs oder eines dünnen Metallblechs, das auf seiner Metalloberfläche einer korrosionshemmenden Oberflächenbehandlung ausgesetzt worden ist, mit einer welligen Querschnittsform aufgebaut. Benachbarte der Stromerzeugungszellen 12, des ersten Metallseparators 30 einer Stromerzeugungszelle 12, und des zweiten Metallseparators 32 einer anderen Stromerzeugungszelle 12 sind durch Schweißen, Löten, Verstemmen oder dergleichen an ihrem Außenumfangsabschnitt integriert miteinander verbunden, um hierdurch einen verbundenen Separator 33 darzustellen.
An einem Randabschnitt der Stromerzeugungszelle 12 (Randabschnitt in Richtung des Pfeils B1) in der horizontalen Richtung, welche die Längsrichtung der Stromerzeugungszelle 12 ist, sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34, ein Kühlmittelzuführkanal 36a und ein Brenngasabführkanal 38b vorgesehen. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a, der Kühlmittelzuführkanal 36a und der Brenngasabführkanal 38b sind in vertikaler Richtung (in Richtung des Pfeils C) angeordnet. Ein sauerstoffhaltiges Gas wird durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a zugeführt. Ein Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, wird durch den Kühlmittelzuführkanal 36a zugeführt. Ein Brenngas, zum Beispiel wasserstoffhaltiges Gas, wird durch den Brenngasabführkanal 38b abgeführt.
Am anderen Endrandabschnitt der Stromerzeugungszelle 12 (einem Randabschnitt in Richtung des Pfeils B2) sind ein Brenngaszuführkanal 38a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmittelabführkanal 36b zum Abführen des Kühlmittels sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen. Der Brenngaszuführkanal 38a, der Kühlmittelabführkanal 36b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b sind in der vertikalen Richtung sequentiell angeordnet. Das Brenngas wird durch den Brenngaszuführkanal 38a zugeführt. Das Kühlmittel wird durch den Kühlmittelabführkanal 36b abgeführt. Das sauerstoffhaltige Gas wird durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b abgeführt. Die Anordnung des Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanals 34a und des Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanals 34b, sowie das Brenngaszuführkanals 38a und des Brenngasabführkanals 38b ist nicht auf jene beschränkt, die für die vorliegende Ausführung gezeigt ist, und kann in Abhängigkeit von den erforderlichen Spezifikationen geeignet gelegt werden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die mit Kunststofffolie ausgestattete MEA 28 eine Membran-Elektroden-Anordnung 28a (nachfolgend als „MEA 28a“ bezeichnet) sowie eine rahmenförmige Kunststofffolie 46, die auf dem Außenumfangsabschnitt der MEA 28a vorgesehen ist.
Die MEA 28a enthält eine Elektrolytmembran 40 sowie eine Anode 42 und eine Kathode 44, die die Elektrolytmembran 40 zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytmembran 40 ist eine Festpolymer-Elektrolytmembran (Kationenaustauschermembran). Die Festpolymer-Elektrolytmembran wird gebildet, indem zum Beispiel eine dünne Perfluorsulfonsäure-Membran mit Wasser imprägniert wird. Die Elektrolytmembran 40 ist im Eingriff zwischen die Anode 42 und die Kathode 44 geschichtet. Als die Elektrolytmembran 40 kann ein Elektrolyt auf Fluorbasis verwendet werden. Alternativ kann als die Elektrolymembran 40 ein KW (Kohlenwasserstoff)-basierter Elektrolyt verwendet werden.
Die Kathode 44 enthält eine erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a, die auf eine Oberfläche der Elektrolytmembran 40 geklebt ist, und eine erste Gasdiffusionsschicht 44b, die auf die erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a laminiert ist. Die Anode 42 enthält eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a, die auf die andere Oberfläche der Elektrolytmembran 40 geklebt ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht 42b, die auf die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a laminiert ist.
Die erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a und die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a sind auf entgegengesetzten Oberflächen der Elektrolytmembran 40 ausgebildet. Die erste Elektroden-Katalysatorschicht 44a wird gebildet, indem zum Beispiel poröse Kohlenstoffpartikel mit auf ihren Oberflächen getragener Platinlegierung auf die Oberfläche der ersten Gasdiffusionsschicht 44b zusammen mit einem lonen-leitfähigen Polymerbindemittel gleichmäßig geschichtet werden. Die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 42a wird gebildet, indem zum Beispiel poröse Kohlenstoffpartikel mit einer auf ihren Oberflächen getragener Platinlegierung auf die Oberfläche des zweiten Gasdiffusionsschicht 42b zusammen mit einem lonen-leitfähigen Polymerbindemittel gleichmäßig geschichtet werden. Die erste Gasdiffusionsschicht 44b und die zweite Gasdiffusionsschicht 42b sind aus Kohlepapier, Kohletuch oder dergleichen gebildet.
Wie in 1 gezeigt, sind an einem Randabschnitt der Kunststofffolie 46 auf einer Seite in Richtung des Pfeils B1, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a, ein Kühlmittelzuführkanal 36a und ein Brenngasabführkanal 38b vorgesehen. An einem Randabschnitt der Kunststofffolie 46 in Richtung des Pfeils B sind ein Brenngaszuführkanal 38a, ein Kühlmittelabführkanal 36b und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b vorgesehen.
Wie in 2 gezeigt, enthält die Kunststofffolie 46 zwei rahmenförmige Schichten 46a, 46b mit unterschiedlichen Dicken. Insbesondere enthält die Kunststofffolie 46 die erste rahmenförmige Schicht 46a, deren Innenumfangsabschnitt mit dem Außenumfangsabschnitt der MEA 28a verbunden ist, und eine zweite rahmenförmige Schicht 46b, die mit der ersten rahmenförmigen Schicht 46a verbunden ist. Die erste rahmenförmige Schicht 46a und die zweite rahmenförmige Schicht 46b sind in Dicken-Richtung durch eine Klebstoffschicht 46c miteinander verbunden, die aus einer adhesiven Substanz aufgebaut ist. Die zweite rahmenförmige Schicht 46b ist mit einem Außenumfangsabschnitt der ersten rahmenförmigen Schicht 46a verbunden.
Die erste rahmenförmige Schicht 46a und die zweite rahmenförmige Schicht 46b sind aus Kunststoffmaterial hergestellt. Beispiele von Materialien der ersten rahmenförmigen Schicht 46a und der zweiten rahmenförmigen Schicht 46b enthalten PPS (Polyphenylensulfid), PPA (Polyphthalamid), PEN (Polyethylen-Naphthalat), PES (Polyethersulfon), LCP (Flüssigkristallpolymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid), ein Silikonharz, ein Fluorharz, m-PPE (modifizierter Polyphenylenether)-Harz, PET (Polyethylen-Terephthalat), PBT (PolybutylenTerephthalat) oder modifiziertes Polyolefin.
Ein Innenumfangsabschnitt 46n der Kunststofffolie 46 (Innenumfangsabschnitt der ersten rahmenförmigen Schicht 46a) ist zwischen dem Außenumfangsabschnitt der Anode 42 und dem Außenumfangsabschnitt der Kathode 44 angeordnet. Insbesondere ist der Innenumfangsabschnitt 46n der Kunststofffolie 46 zwischen dem Außenumfangsabschnitt der Elektrolytmembran 40 und dem Außenumfangsabschnitt der Anode 42 geschichtet. Der Innenumfangsabschnitt 46n der Kunststofffolie 46 und der Außenumfangsabschnitt der Elektrolytmembran 40 sind über die Klebstoffschicht 46c miteinander verbunden. Der Innenumfangsabschnitt 46n der Kunststofffolie 46 kann auch zwischen der Elektrolytmembran 40 und der Kathode 44 geschichtet sein.
Die Elektrolytmembran 40 kann so ausgebildet sein, dass sie nach außen vorsteht, ohne die Kunststofffolie 46 zu verwenden. Ferner kann die rahmenförmige Folie auch auf beiden Seiten der nach außen vorstehenden Elektrolytmembran 40 angeordnet sein.
Wie in 3 gezeigt, ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48, das sich zum Beispiel in Richtung des Pfeils B erstreckt, auf einer Oberfläche 30a (nachfolgend als „Vorderseite 30a“ bezeichnet) des ersten Metallseparators 30 angeordnet, die zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 weist. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 steht mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 38b fluidisch in Verbindung. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 enthält eine Mehrzahl von Fließfeld-Nuten 48b, die zwischen einer Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen 48a angeordnet sind, die sich in der Richtung des Pfeils B erstrecken. Dementsprechend sind in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 eine Mehrzahl der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 48a und eine Mehrzahl der Fließfeld-Nuten 48b abwechselnd in der Fließfeld-Breitenrichtung (der Richtung von Pfeil C) angeordnet. In der vorliegenden Ausführung hat die planare Form (Form in Draufsicht) der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 48a und der Fließfeld-Nuten 48b eine wellige Form. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Merkmal beschränkt, und die planare Form des Fließfeld-bildenden Vorsprünge 48a und der Fließfeld-Nuten 48b kann auch eine gerade Form haben (oder kann aus einer Kombination von geraden Formen aufgebaut sein).
Seitenwände an beiden Seiten in der Breitenrichtung (der Richtung des Pfeils C) der das Fließfeld bildenden Vorsprüngen 48 sind in Bezug auf die Dicken-Richtung der Separatoren geneigt, und die Querschnittsform der das Fließfeld-bildenden Vorsprünge 48a ist trapezförmig. Die Seitenwände an beiden Seiten in der Breitenrichtung der das Fließfeld bildenden Vorsprünge 48a können zur Dicken-Richtung der Separatoren auch parallel sein, und die Querschnittsform der das Fließfeld bildenden Vorsprünge 48a können auch rechteckig sein. Nachfolgend werden unter der Mehrzahl von das Fließfeld bildenden Vorsprüngen 48a immer jene, die an beiden Enden in der Fließfeld-Breitenrichtung angeordnet sind, als „Fließfeld-bildende Endvorsprünge 48a1“ bezeichnet. Die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 sind innerhalb eines Außenrands 44be der ersten Gasdiffusionsschicht 44b angeordnet.
Auf der Vorderseite 30a des ersten Metallseparators 30 ist ein Einlasspuffer 50A mit einer Mehrzahl von Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von in Richtung des Pfeils C ausgerichteten Naben 50a aufgebaut sind, zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34 und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 angeordnet. Ferner ist auf der Vorderseite 30a des ersten Metallseparators 30 ein Auslasspuffer 50B mit einer Mehrzahl von Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von Naben 50b zusammengesetzt sind, zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 angeordnet.
Darüber hinaus sind auf einer Oberfläche 30b des ersten Metallseparators 30 an einer einem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 entgegengesetzten Seite Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von in Richtung des Pfeils C ausgerichteten Naben 67a zusammengesetzt sind, zwischen den oben beschriebenen Nabenreihen des Einlasspuffers 50A vorgesehen, und zusammen damit sind Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von in der Richtung des Pfeils C ausgerichteten Naben 67b zusammengesetzt sind, zwischen den oben beschriebenen Nabenreihen des Auslasspuffers 50B vorgesehen (siehe 1). Die Naben 67a, 67b, die an der Seite der Kühlmittelfläche vorstehen, stellen Pufferabschnitte an der Seite der Kühlmitteloberfläche dar.
Erste Dichtungslinien 52, sind durch Pressformung so ausgebildet, dass sie an der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 (siehe 1) auf der Vorderseite 30a des ersten Metallseparators 30 vorstehen oder ausgewölbt sind. Obwohl im Detail nicht gezeigt, kann auf einer vorstehenden Endoberfläche der ersten Dichtungslinien 52 ein Kunststoffmaterial durch Aufdrucken oder Beschichten etc. befestigt und daran angebracht sein. Dieses Kunststoffmaterial braucht nicht notwendigerweise verwendet werden.
Die ersten Dichtungslinien 52 enthalten eine Mehrzahl von Wulstdichtungen 53 (nachfolgend als „Kanalwülste 53“ bezeichnet), die die Mehrzahl von Kanälen (ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a, etc.) einzeln umgeben, sowie eine Wulstdichtung 54 (nachfolgend als „Außenumfangswulst 54“ bezeichnet), die das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48, den Einlasspuffer 50A und den Auslasspuffer 50B umgibt. Die planaren Formen der Kanalwülste 53 und des Außenumfangswulsts 54 sind, bei Betrachtung aus der Dickenrichtung des ersten Metallseparators 30, wellig geformt. Die planaren Formen der Kanalwülste 53 und des Außenumfangswulsts 54 können auch eine gerade Form haben.
Die Mehrzahl von Kanalwülsten 53 stehen von der Vorderseite 30a des ersten Metallseparators 30 zur MEA 28 hin nach außen vor, zusammen damit, dass sie jeweils den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b, den Brenngaszuführkanal 38a, den Brenngasabführkanal 38b, den Kühlmittelzuführkanal 36a und den Kühlmittelabführkanal 36b separat umgeben. Nachfolgend wird unter den mehreren Kanalwülsten 53 jener, der ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a umgibt, als „Kanalwulst 53a“ bezeichnet, und wird jener, der den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b umgibt, als „Kanalwulst 53b“ bezeichnet.
Auf dem ersten Metallseparator 30 sind Brückenabschnitte 80, 82 vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen den Innenseiten (an der Seite der Kanäle 34a, 34b) und den Außenseiten (an der Seite des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 48) der Kanalwülste 53a, 53b ermöglichen. Die Brückenabschnitte 80 sind an einem Seitenabschnitt des den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a umgebenden Kanalwulsts 53a an der Seite des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 48 vorgesehen. Die Brückenabschnitte 82 sind an einem Seitenabschnitt des den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b umgebenden Kanalwulsts 53b an der Seite des Sauerstoffhaltigen-Gas-Fließfelds 48 vorgesehen.
Die Brückenabschnitte 80, 82 enthalten eine Mehrzahl von Tunneln 80t, 82t, die jeweils an der Innenseite und der Außenseite der Kanalwülste 53a, 53b vorgesehen sind. Die Tunnel 80t, 82t werden durch Pressformung ausgebildet, sodass sie an der Vorderseite 30a des ersten Metallseparators 30 und zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28a hin vorstehen.
Zwischen beiden Endabschnitten in der Fließfeld-Breitenrichtung (den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 48a1) des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 48 und dem Außenumfangswulst 54 sind die erste konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte 34 vorgesehen, um den Vorbeifluss des sauerstoffhaltigen Gases von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b zu verhindern. Gemäß der vorliegenden Ausführung ist die Fließfeld-Breitenrichtung des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 48 eine Richtung (in der Richtung des Pfeils C) entlang der kurzen Seite des rechteckigen ersten Metallseparators 30. Die ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 sind so ausgebildet, dass sie zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 hin vorstehen (siehe 2). Eine Mehrzahl von ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 84 sind mit Intervallen in der Richtung (Richtung des Pfeils B) angeordnet, in der sich die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 erstrecken.
In 4 sind Seitenwände 84s an beiden Seiten in der Breitenrichtung (in der Richtung des Pfeils B) der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 in Bezug auf die Dickenrichtung der Separatoren geneigt, und ist die Querschnittsform der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 trapezförmig. Die Seitenwände 84s an beiden Seiten in der Breitenrichtung der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 können auch in Bezug auf die Dickenrichtung der Separatoren parallel sein, und die Querschnittsform der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 kann auch rechteckig sein.
Die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 haben konkav gekrümmte Abschnitte 87, die so gekrümmt sind, dass sie in Bezug auf den Außenumfangswulst 54 vertieft sind, und konvexe gekrümmte Abschnitte 88, die in Bezug auf den Außenumfangswulst 54 nach außen vorstehend gekrümmt sind. Die Mehrzahl der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 enthalten erste konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, die zwischen den konkav gekrümmten Abschnitten 87 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 und dem Außenumfangswulst 54 vorgesehen sind, sowie erste konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84b, die zwischen den konvex gekrümmten Abschnitten 88 der das Fließfeld bildenden Endvorsprünge 48a1 und dem Außenumfangswulst 54 vorgesehen sind. Die einen der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a und die anderen der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84b sind mit Intervallen zueinander abwechselnd entlang der Richtung angeordnet, in der sich die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 erstrecken. In einem Zustand, in dem eine Dichtziehlast nicht angelegt worden ist (im Zustand vor dem Stapeln) sind die jeweiligen Scheitelabschnitte der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b niedriger als der Scheitelabschnitt des Außenumfangswulsts 54. Dementsprechend werden die ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b keiner Dichtziehlast ausgesetzt. In einem Zustand, in dem eine Dichtzielast angelegt worden ist (im gestapelten Zustand) haben die jeweiligen Scheitelabschnitte der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b und der Außenumfangswulst 54 die gleiche Höhe.
Die mehreren konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 sind mit dem Außenumfangswulst 54 und mit den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 48a1 verbunden. Die einen der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a sind an ihrem einen Ende mit dem Außenumfangswulst 54 verbunden und sind an ihrem anderen Ende mit den konkav gekrümmten Abschnitten 87 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 verbunden. Die anderen der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84b sind an ihrem einen Ende mit dem Außenumfangswulst 54 verbunden und sind an ihrem anderen Ende mit den konvex gekrümmten Abschnitten 88 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 verbunden.
Konvexe Zwischenabschnitte 89, die den Außenumfangsabschnitt (die Kunststofffolie 46) der MEA 28a stützen, sind zwischen den einander benachbarten ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b vorgesehen.
Seitenwände 54s des Außenumfangswulsts 54, die zu den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 48a1 weisen, haben konkave Seitenwände 54s1, die so gekrümmt sind, dass sie in Bezug auf die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 vertieft sind, und konvexe Seitenwände 54s2, die in Bezug auf die das Fließfeld bildenden Endvorsprünge 48a1 auswärts gewölbt gekrümmt sind. Die ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 sind an den konkaven Seitenwänden 54s1 benachbarten Positionen vorgesehen. Insbesondere sind die ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 mit den konkaven Seitenwänden 54s1 verbunden. Die konvexen Zwischenabschnitte 89 sind an den konvexen Seitenwänden 54s2 benachbarten Positionen angeordnet. Insbesondere sind die konvexen Zwischenabschnitte 89 über Lücken den konvexen Seitenwänden 54s2 des Außenumfangswulsts 54 benachbart angeordnet.
Die konvexen Zwischenabschnitte 89 stehen zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 vor. Die konvexen Zwischenabschnitte 89 haben Formen, die sich in Richtungen erstrecken, die die Richtung des Fließfelds (die Richtung des Pfeils B) schneiden. Insbesondere haben gemäß der vorliegenden Ausführung die konvexen Zwischenabschnitte 89 Formen, die sich in der Fließfeld-Breitenrichtung (der Richtung des Pfeils C) erstrecken. In der vorliegenden Ausführung sind die konvexen Zwischenabschnitte 89 in einer Mehrzahl einzeln zwischen einander benachbarten der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b angeordnet. Die mehreren konvexen Zwischenabschnitte 89 haben voneinander unterschiedliche Längen. Die mehreren konvexen Zwischenabschnitte 89 können aber auch mit zueinander in der gleichen Länge ausgebildet sein. Die mehreren konvexen Zwischenabschnitte 89 sind von den mehreren konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 84, dem Außenumfangswulst 54 und den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 48a1 mit Abstand angeordnet. Die Anzahl der konvexen Zwischenabschnitte 89 der einander benachbarten ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b, unterliegt keiner besonderen Beschränkung. In 4 sind, zwischen den einander benachbarten ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 84a, 84b, Intervalle entlang der Richtung angeordnet, in der sich die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 erstrecken. Die konvexen Zwischenabschnitte 89 sind an Positionen angeordnet, die den Außenrand 44be der ersten Gasdiffusionsschicht 44b überlappen, bei Betrachtung aus der Stapelrichtung. Die jeweiligen Scheitelabschnitte der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84a, 84b und der konvexen Zwischenabschnitte 89 haben die gleiche Höhe.
In dem ersten Metallseparator 30 sind, zwischen den konkav gekrümmten Abschnitten 87 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 48a1 und den ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 84a, erste konvexe Stützabschnitte 85 vorgesehen, um die Kathode 44 (die erste Gasdiffusionsschicht 44b) zu stützen. Die ersten konvexen Stützabschnitte 85 enthalten konkave Abschnitte 85a, die in Bezug auf die Kathode 44 vertieft sind. Wie in 2 gezeigt, stützen die ersten konvexen Stützabschnitte 85 die Kathode 44 (die erste Gasdiffusionsschicht 44b) an Positionen, an denen der Außenumfang der MEA 28a und der Innenumfang der Kunststofffolie 46 sich in der Dickenrichtung überlappen.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Brenngas-Fließfeld 58, das sich in Richtung des Pfeils B erstreckt, zum Beispiel auf einer Oberfläche 32a (nachfolgend als „Vorderseite 32a“ bezeichnet) des zweiten Metallseparators 32 angeordnet, die zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 hin weist.
Wie in 5 gezeigt, steht das Brenngas-Fließfeld 58 mit dem Brenngaszuführkanal 48a und dem Brenngasabführkanal 38b fluidisch in Verbindung. Das Brenngas-Fließfeld 58 enthält eine Mehrzahl von Fließfeld-Nuten 58b, die zwischen einer Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen 58a angeordnet sind, die sich in Richtung des Pfeils B erstrecken. Dementsprechend sind in dem Brenngas-Fließfeld 58 eine Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen 58a und eine Mehrzahl von Fließfeld-Nuten 58b abwechselnd in der Fließfeld-Breitenrichtung angeordnet (der Richtung des Pfeils C). In der vorliegenden Ausführung ist die planare Form der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a und der Fließfeld-Nuten 58b wellig geformt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Merkmal beschränkt und die planare Form der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a und der Fließfeld-Nuten 58b kann auch gerade geformt sein. Die Seitenwände an beiden Seiten in der Breitenrichtung (der Richtung des Pfeils C) der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a sind in Bezug auf die Dickenrichtung der Separatoren geneigt, und die Querschnittsform der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a ist trapezförmig. Die Seitenwände an beiden Seiten in der Breitenrichtung der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a kann auch parallel zur Dickenrichtung der Separatoren sein und die Querschnittsform der Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a kann auch rechteckig sein. Nachfolgend werden, unter der Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen 58a jene, die an beiden Enden in der Fließfeld-Breitenrichtung angeordnet sind, als „Fließfeld-bildende Endvorsprünge 58a1“ bezeichnet. Die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 sind innerhalb eines Außenrands 42be der zweiten Gasdiffusionsschicht 42b angeordnet.
Auf der Vorderseite 32a des zweiten Metallseparators 32 ist ein Einlasspuffer 60A mit einer Mehrzahl von Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von in Richtung des Pfeils C ausgerichteten Naben 60a zusammengesetzt sind, zwischen dem Brenngaszuführkanal 38a und dem Brenngasfließfeld 58 angeordnet. Ferner ist auf der Vorderseite 32a des zweiten Metallseparators 32 ein Auslasspuffer 60B mit einer Mehrzahl von Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von Naben 60b zusammengesetzt sind, zwischen den beiden Gasabführkanal 38b und dem Brenngas-Fließfeld 58 angeordnet.
Darüber hinaus sind auf einer Oberfläche 32b des zweiten Metallseparators 32 an einer von dem Brenngas-Fließfeld 58 entgegengesetzten Seite Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von in Richtung des Pfeils C ausgerichteten Naben 69a zusammengesetzt sind, zwischen den oben beschriebenen Nabenreihen des Einlasspuffers 60A vorgesehen, und sind zusammen damit Nabenreihen, die aus einer Mehrzahl von in Richtung des Pfeils C ausgerichteten Naben 69b zusammengesetzt sind, zwischen den oben beschriebenen Nabenreihen des Auslasspuffers 60B vorgesehen. Die Naben 69a, 69b, die an der Seite der Kühlmitteloberfläche vorstehen, stellen Pufferabschnitte an der Seite der Kühlmitteloberfläche dar.
Zweite Dichtungslinien 62 sind durch Pressformung so ausgebildet, dass sie an der Vorderseite 32a des zweiten Metallseparators 32 zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 vorstehen oder ausgewölbt sind (siehe 1). Obwohl im Detail nicht gezeigt, ist auf einer vorstehenden Endfläche der zweiten Dichtungslinien 62 ein Kunststoffmaterial durch Aufdrucken oder Beschichten oder etc. befestigt und angebracht. Dieses Kunststoffmaterial braucht aber nicht notwendigerweise verwendet werden.
Wie in 5 gezeigt, enthalten die zweiten Dichtungslinien 62 eine Mehrzahl von Dichtungswülsten 63 (nachfolgend als „Kanalwülste 63“) bezeichnet, die die Mehrzahl von Kanälen (den Brenngaszuführkanal 38a etc.) einzeln umgeben, sowie eine Wulstdichtung 64 (nachfolgend als „Außenumfangswulst 64“) bezeichnet, die das Brenngas-Fließfeld 58, den Einlasspuffer 60A und den Auslasspuffer 60B umgibt. Die planaren Formen der Kanalwülste 63 und des Außenumfangswulsts 64 sind, bei Betrachtung aus der Dickenrichtung des zweiten Metallseparators 32, wellig geformt. Die planaren Formen der Kanalwülste 63 und des Außenumfangswulsts 64 können auch gerade geformt sein (oder können aus einer Kombination von geraden Formen aufgebaut sein).
Die mehreren Kanalwülste 63 stehen von der Vorderseite 32 des zweiten Metallseparators 32 außen zur MEA 28 vor, zusammen damit, dass sie jeweils den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b, den Brenngaszuführkanal 38a, den Brenngasabführkanal 38b, den Kühlmittelzuführkanal 36a und den Kühlmittelabführkanal 36b separat umgeben. Nachfolgend wird, unter den mehreren Kanalwülsten 63 jener, der den Brenngaszuführkanal 38a umgibt, als „Kanalwulst 63a“ bezeichnet, und wird jener, der den Brenngasabführkanal 38b umgibt, als „Kanalwulst 63b“ bezeichnet.
Auf dem zweiten Metallseparator 32 sind Brückenabschnitte 90, 92 vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen Innenseiten (an der Seite der Kanäle 38a, 38b) und Außenseiten (an der Seite des Brenngas-Fließfelds 58) der Kanalwülste 63a, 63b ermöglichen, welche jeweils den Brenngaszuführkanal 38a und den Brenngasabführkanal 38b umgeben. Die Brückenabschnitte 90 sind an einem Seitenabschnitt des den Brenngaszuführkanal 38a umgebenden Kanalwulsts 63a an der Seite des Brenngas-Fließfelds 58 vorgesehen. Die Brückenabschnitte 92 sind mit Intervallen an einem Seitenabschnitt des den Brenngasabführkanal 38b umgebenden Kanalwulsts 63b an der Seite des Brenngas-Fließfelds 58 vorgesehen.
Die Brückenabschnitte 90, 92 enthalten eine Mehrzahl von Tunneln 90t, 92t, die jeweils an der Innenseite und der Außenseite der Kanalwülste 63a, 63b vorgesehen sind. Die Tunnels 90t, 92t sind durch Pressformung ausgebildet, sodass sie von der Vorderseite 32a des zweiten Metallseparators 32 und zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 hin vorstehen.
Zwischen beiden Endabschnitten der Fließfeld-Breitenrichtung (den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 58a1) des Brenngas-Fließfelds 58 und dem Außenumfangswulst 64 sind zwei konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 vorgesehen, um zu verhindern, dass das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 38a zu dem Brenngasabführkanal 38b vorbeifließt. Gemäß der vorliegenden Ausführung ist die Fließfeld-Breitenrichtung des Brenngas-Fließfelds 58 eine Richtung (in Richtung des Pfeils C) entlang der kurzen Seite des rechteckigen zweiten Metallseparators 32. Die zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 sind so ausgebildet, dass sie zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 hin vorstehen (siehe 2). Eine Mehrzahl der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 sind mit Intervallen in der Richtung (in der Richtung des Pfeils B) angeordnet, in der sich die Fließfeld-Nuten 58b erstrecken.
Seitenwände an beiden Seiten in der Breitenrichtung (der Richtung von Pfeil B) der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 sind in Bezug auf die Dickenrichtung der Separatoren geneigt, und die Querschnittsform der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 ist trapezförmig. Die Seitenwände an beiden Seiten in der Breitenrichtung der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 kann auch parallel in Bezug auf die Dickenrichtung der Separatoren sein, und die Querschnittsform der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte kann auch rechteckig sein.
Wie in 6 gezeigt, haben die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 konkav gekrümmte Abschnitte 95, die so gekrümmt sind, dass sie in Bezug auf den Außenumfangswulst 64 vertieft sind, und konvex gekrümmte Abschnitte 96, die in Bezug auf den Außenumfangswulst 64 auswärts vorstehend gekrümmt sind. Die Mehrzahl von zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94 enthalten zweite konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94a, die zwischen den konkav gekrümmten Abschnitten 95 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 und dem Außenumfangswulst 64 vorgesehen sind, sowie zweite konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94b, die zwischen den konvex gekrümmten Abschnitten 96 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 und dem Außenumfangswulst 64 vorgesehen sind. Die einen der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94a und die anderen der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94b sind mit gegenseitigen Intervallen abwechselnd entlang der Richtung angeordnet, in der sich die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 erstrecken. In einem Zustand, in dem keine Dichtziehlast angelegt worden ist (im Zustand vor dem Stapeln) sind die jeweiligen Scheitelabschnitte der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 niedriger als der Scheitelabschnitt des Außenumfangswulsts 64. Dementsprechend werden die zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 keiner Dichtziehlast ausgesetzt. In einem Zustand, in dem eine Dichtziehlast angelegt worden ist (im gestapelten Zustand) haben die jeweiligen Scheitelabschnitte der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 und des Außenumfangswulsts 64 die gleiche Höhe.
Die einen der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94a sind an ihrem einen Ende mit dem Außenumfangswulst 64 verbunden und sind an ihrem anderen Ende mit den konkav gekrümmten Abschnitten 95 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 verbunden. Die anderen der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94b sind an ihrem einen Ende mit dem Außenumfangswulst 64 verbunden und sind an ihrem anderen Ende mit den konvex gekrümmten Abschnitten 96 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 verbunden.
Konvexe Zwischenabschnitte 98, die den Außenumfangsabschnitt (die Kunststofffolie 46) der MEA 28a stützen, sind zwischen einander benachbarten zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94a, 94b vorgesehen. Die konvexen Zwischenabschnitte 98 stehen zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 vor. Die konvexen Zwischenabschnitte 98 haben, bei Betrachtung in der Dickenrichtung des zweiten Metallseparators 32, eine gekrümmte Form. Die konvexen Zwischenabschnitte 98 sind an der Seite des Brenngasfließfelds 58 konvex gekrümmt.
Seitenwände 64s des Außenumfangswulsts 64, die zu den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 58a1 weisen, haben konkave Seitenwände 64s1, die gekrümmt sind, sodass sie in Bezug auf die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 vertieft sind, sowie konvexe Seitenwände 64s2, die in Bezug auf die Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 auswärts gewölbt gekrümmt sind. Die zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 sind an Positionen vorgesehen, die den konkaven Seitenwänden 64s1 benachbart sind. Insbesondere sind die zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 mit den konkaven Seitenwänden 64s1 verbunden. Die konvexen Zwischenabschnitte 98 sind an Positionen angeordnet, die den konvexen Seitenwänden 64s2 benachbart sind. Insbesondere sind die konvexen Zwischenabschnitte 98 über Lücken benachbart den konvexen Seitenwänden 64s2 angeordnet.
Die konvexen Zwischenabschnitte 98 sind an Positionen angeordnet, die den Außenrand 42be der zweiten Gasdiffusionsschicht 42b, bei Betrachtung aus der Stapelrichtung, überlappen. Die konvexen Zwischenabschnitte 98 haben Formen, die sich in der Richtung des Fließfelds erstrecken (der Richtung des Pfeils B). Die Formen der konvexen Zwischenabschnitte 98 unterscheiden sich von den Formen der konvexen Zwischenabschnitte 89 (siehe 4), die in dem ersten Metallseparator 30 vorgesehen sind, bei Betrachtung aus der Stapelrichtung. Die konvexen Zwischenabschnitte 98, die an dem zweiten Metallseparator 32 vorgesehen sind, weisen zu den konvexen Zwischenabschnitten 89, die an dem ersten Metallseparator 30 vorgesehen sind, mit der dazwischen eingefügten MEA 28a (siehe 2).
Die konvexen Zwischenabschnitte 98 sind in einer Mehrzahl einzeln zwischen den einander benachbarten zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94a, 94b angeordnet. Die mehreren konvexen Zwischenabschnitte 98 haben die gleichen Längen. Die Anzahl der konvexen Zwischenabschnitte 98 der einander benachbarten zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94a, 94b unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Insbesondere sind in der vorliegenden Ausführung, zwischen den einander benachbarten zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94a, 94b die mehreren konvexen Zwischenabschnitte 98 mit Intervallen entlang der Trennrichtung (Richtung des Pfeils C) zwischen den Fließfeld-bildenden Endvorsprüngen 58a1 und dem Außenumfangswulst 64 angeordnet. Jeweilige Scheitelabschnitte der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 und der konvexen Zwischenabschnitte 98 haben die gleiche Höhe.
Wie in 7 gezeigt, unterscheidet sich die Anordnungsrichtung der Mehrzahl von konvexen Zwischenabschnitten 98, die zwischen den einander benachbarten zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94a, 94b vorgesehen sind, von der Anordnungsrichtung der Mehrzahl von konvexen Zwischenabschnitten 98, die zwischen den einander benachbarten ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 84a, 84b vorgesehen sind. Die konvexen Zwischenabschnitte 98 des zweiten Metallseparators 32 haben Formen, die sich in einer Richtung erstrecken, die sich mit der Richtung überschneidet, in der sich die konvexen Zwischenabschnitte 89 des ersten Metallseparators 30 erstrecken.
Wie in 6 gezeigt, sind in dem zweiten Metallseparator 32 zwischen den konkav gekrümmten Abschnitten 95 der Fließfeld-bildenden Endvorsprünge 58a1 und den zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94a zweite konvexe Stützabschnitte 100 vorgesehen, um die Anode 42 (die zweite Gasdiffusionsschicht 42b) zu stützen. Die zweiten konvexen Stützabschnitte 100 sind durch Pressformung ausgebildet, sodass sie zu der mit Kunststofffolie ausgestatteten MEA 28 hin vorstehen. Die zweiten konvexen Stützabschnitte 100 haben die gleiche Höhe wie die konvexen Zwischenabschnitte 98.
Wie in 7 gezeigt, haben, bei Betrachtung aus der Stapelrichtung, die Fließfeld-bildenden Vorsprünge 48a des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 48 und die Fließfeld-bildenden Vorsprünge 58a des Brenngasfließfelds 58 wellige Formen mit der gleichen Wellenlänge und sind zueinander gegenphasig. Die ersten konvexen Stützabschnitte 85 des ersten Metallseparators 30 und die zweiten konvexen Stützabschnitte 100 des zweiten Metallseparators 32 sind entlang der Richtung, in der sich die Fließfeld-bildenden Vorsprünge 48a, 58a erstrecken, abwechselnd angeordnet.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Kühlmittel-Fließfeld 66 zwischen der Oberfläche 30b des ersten Metallseparators 30 und der Oberfläche 32b des Metallseparators 32, die miteinander verbunden sind, ausgebildet. Das Kühlmittel-Fließfeld 66 ist mit dem Kühlmittelzuführkanal 36a und dem Kühlmittelabführkanal 36b fluidisch verbunden. Das Kühlmittel-Fließfeld 66 wird gebildet, indem die Rückseite des ersten Metallseparators 30, auf der das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 gebildet ist, und die Rückseite des zweiten Metallseparators 32, auf dem das Brenngasfließfeld 58 ausgebildet ist, gestapelt und aneinander gepasst werden.
Die Stromerzeugungszelle 12, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, arbeitet in der folgenden Weise.
Zuerst wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas, zum Beispiel Luft, dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a zugeführt. Ein Brenngas wie etwa wasserstoffhaltiges Gas oder dergleichen wird dem Brenngaszuführkanal 38a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol oder Öl, dem Kühlmittelzuführkanal 36a zugeführt.
Das sauerstoffhaltige Gas fließt von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 34a in das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 des ersten Metallseparators 30. Wie in 3 gezeigt, bewegt sich darüber hinaus das sauerstoffhaltige Gas entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 in der Richtung des Pfeils B, und wird das sauerstoffhaltige Gas der Kathode 44 der MEA 28a zugeführt.
Unterdessen fließt, wie in 1 gezeigt, das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 38a in das Brenngasfließfeld 58 des zweiten Metallseparators 32. Wie in 5 gezeigt, bewegt sich das Brenngas in der Richtung des Pfeils B entlang dem Brenngasfließfeld 58 und wird der Anode 42 der MEA 28a zugeführt.
Dementsprechend werden jeder der MEAs 28a das sauerstoffhaltige Gas, das der Kathode 44 zugeführt wird, und das Brenngas, das der Anode 42 zugeführt wird, in elektrochemischen Reaktionen partiell verbraucht, die in der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 44a und der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 42a stattfinden, wodurch Elektrizität erzeugt wird.
Dann fließt, wie in 1 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas, das der Kathode 44 und dort partiell verbraucht wird, von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b, und wird das sauerstoffhaltige Gas in der Richtung des Pfeils A zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 34b abgeführt. In der gleichen Weise wird das Brenngas, das der Anode 42 zugeführt und dort partiell verbraucht wird, von dem Brenngasfließfeld 58 zu dem Brenngasabführkanal 38b, und wird das Brenngas in der Richtung des Pfeils A zu dem Brenngasabführkanal 38b abgeführt.
Ferner fließt das Kühlmittel, das dem Kühlmittelkanal 36a zugeführt wird, in das Kühlmittelfließfeld 66 zwischen dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32, und danach fließt das Kühlmittel in Richtung des Pfeils B. Nachdem das Kühlmittel die MEA 28a gekühlt hat, wird das Kühlmittel von dem Kühlmittelabführkanal 36b abgeführt.
In diesem Fall zeigt die Stromerzeugungszelle 12 gemäß der vorliegenden Ausführung die folgenden Effekte.
In der Stromerzeugungszelle 12 sind die konvexen Zwischenabschnitte 89, die die Kunststofffolie 46 stützen, zwischen einander benachbarten der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 vorgesehen (siehe 4). Daher kann die Kunststofffolie 46 nicht nur von der Mehrzahl der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 84 gestützt werden, sondern auch an Orten zwischen den ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 84. Ferner sind die konvexen Zwischenabschnitte 98, die die Kunststofffolie 46 stützen, zwischen einander benachbarten der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 vorgesehen (siehe 6). Daher kann die Kunststofffolie 46 nicht nur von der Mehrzahl der zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte 94 gestützt werden, sondern auch an Orten zwischen den zweiten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten 94. Dementsprechend ist es möglich, die Kunststofffolie 46 stabil zu stützen.
In der Stromerzeugungszelle 12 sind die konvexen Zwischenabschnitte 89, 98 jeweils auf dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 vorgesehen. Indem gemäß dieser Konfiguration die Kunststofffolie 46 durch die konvexen Zwischenabschnitte 89, 98 von beiden Seiten her gestützt wird, kann die Kunststofffolie 46 in geeigneter Weise gehalten werden.
Wie in 2 gezeigt, weisen die in dem ersten Metallseparator 30 vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte 89 zu den auf dem zweiten Metallseparator 32 vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitten 98, mit der dazwischen eingefügten MEA 28a. Da gemäß dieser Konfiguration die Kunststofffolie 46 zwischen den konvexen Zwischenabschnitten 89, 98 geschichtet ist, ist es möglich, die Kunststofffolie 46 stabil zu halten.
Wie in 7 gezeigt, haben die auf dem ersten Metallseparator 30 vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte und die auf dem zweiten Metallseparator 32 vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte 98 Formen, die sich entlang einander schneidenden Richtungen erstrecken. Gemäß dieser Konfiguration ist es auch in dem Fall, in dem die gegenseitige Positionierung des Paars der Metallseparatoren 30, 32 in der planaren Richtung verschoben ist, möglich, eine Kontaktfläche sicherzustellen und die Kunststofffolie 46 stabil zu halten.
Eine Stromerzeugungszelle (12) ist mit einer MEA (28) ausgestattet, an der ein Kunststoffrahmen angebracht ist, sowie einem ersten Metallseparator (30). In dem ersten Metallseparator (30) sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48, durch das ein sauerstoffhaltiges Gas entlang einer Elektrodenoberfläche fließt, ein Außenumfangswulst (54), der das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (48) umgibt und der eine Leckage eines Reaktionsgases verhindert, sowie eine Mehrzahl von ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (84), die einen Vorbeifluss des Reaktionsgases verhindern, vorgesehen. Konvexe Zwischenabschnitte (89), die die Kunststofffolie (46) stützen, sind zwischen einander benachbarten der ersten konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte (84) vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5239091 B2 [0004]
JP 5239091 [0004]
JP 2008130433 A [0005]

Claims

Stromerzeugungszelle (12), die eine mit Kunststofffolie ausgestattete Membranelektrodenanordnung (28) und auf beiden Seiten der mit Kunststofffolie ausgestatteten Membranelektrodenanordnung (28) angeordnete Metallseparatoren (30, 32) aufweist, wobei die mit Kunststofffolie ausgestattete Membranelektrodenanordnung (28) eine Membranelektrodenanordnung (28a), die mit auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran (40) vorgesehenen Elektroden ausgebildet ist, sowie eine Kunststofffolie (46) mit einer Rahmenform, die über einem gesamten Außenumfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung (28a) vorgesehen ist, enthält, und wobei Reaktionsgasfließfelder (48, 58), die erlauben, dass Reaktionsgase entlang Stromerzeugungsoberflächen fließen, von einem Ende zu einem anderen Ende der Metallseparatoren (30, 32) ausgebildet sind, und Wulstdichtungen (54, 64) vorgesehen sind, die die Reaktionsgasfließfelder (48, 58) umgeben und konfiguriert sind, um eine Leckage der Reaktionsgase zu verhindern, wobei die Reaktionsgasfließfelder (48, 58) eine Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen (48a, 58a) enthalten, die sich von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren (30, 32) erstrecken, sowie eine Mehrzahl von Fließfeld-Nuten (48b, 58b), die zwischen der Mehrzahl von Fließfeld-bildenden Vorsprüngen (48a, 58a) ausgebildet sind, und wobei eine Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (84, 94), die konfiguriert sind, um einen Vorbeifluss der Reaktionsgase zu verhindern, an Intervallen in Erstreckungsrichtung der Fließfeld-bildenden Vorsprünge (48a, 58a) zwischen Abschnitten der Wulstdichtungen (54, 64), die sich von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Metallseparatoren (30, 32) erstrecken, und den Fließfeld-bildenden Vorsprüngen (48a, 58a), die an Enden in einer Fließfeld-Breitenrichtung der Reaktionsgas-Fließfelder (48, 58) angeordnet sind, vorgesehen sind; wobei konvexe Zwischenabschnitte (89, 98), die konfiguriert sind, um die Kunststofffolie (46) zu stützen, in zumindest einem eines Paars der Metallseparatoren (30, 32) zwischen einander benachbarten der konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte (84, 94) vorgesehen sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 1, wobei die konvexen Zwischenabschnitte (89, 98) jeweils in einem der Metallseparatoren (30, 32) und einem anderen der Metallseparatoren (30, 32) vorgesehen sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 2, wobei die an dem einen der Metallseparatoren (30) vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte (89) zu den an dem anderen der Metallseparatoren (32) vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitten (98), mit der dazwischen eingefügten Membranelektroden-Anordnung (28a), weisen.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich die Formen der konvexen Zwischenabschnitte (89, 98) zwischen dem Paar von Metallseparatoren (30, 32) voneinander unterscheiden.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die an dem einen der Metallseparatoren (30) vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte (89) und die an dem anderen der Metallseparatoren (32) vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte (98) Formen haben, die sich entlang einander schneidenden Richtungen erstrecken.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei: die an dem einen der Metallseparatoren (30) vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte (89) sich entlang der Fließfeld-Breitenrichtung erstrecken; und die an dem anderen der Metallseparatoren (32) vorgesehenen konvexen Zwischenabschnitte (98) sich entlang der Erstreckungsrichtung der Fließfeld-bildenden Vorsprünge (58a) erstrecken.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die Wulstdichtungen (54, 64), in Draufsicht bei Betrachtung aus einer Dickenrichtung der Metallseparatoren (30, 32), wellenförmig sind; Seitenwände der Wulstdichtungen (54, 64), die zu den an den Enden angeordneten Fließeld-bildenden Vorsprüngen (48a, 58a) weisen, konkave Seitenwände enthalten, die so gekrümmt sind, dass sie in Bezug auf die Fließeld-bildenden Vorsprünge (48a, 58a) vertieft sind, sowie konvexe Seitenwände, die gekrümmt sind, sodass sie in Bezug auf die Fließfeld-bildenden Vorsprünge (48a, 58a) auswärts gewölbt sind; die konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte (84, 94) an den konkaven Seitenwänden benachbarten Positionen angeordnet sind; und die konvexen Zwischenabschnitte (89, 98) an den konvexen Seitenwänden benachbarten Positionen angeordnet sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 7, wobei die konvexen Zwischenabschnitte (89, 98) über Lücken den konvexen Seitenwänden benachbart angeordnet sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Mehrzahl der konvexen Zwischenabschnitte (89, 98) parallel zwischen einander benachbarten der konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitte (84, 94) angeordnet sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 9, wobei sich die Längen der Mehrzahl von konvexen Zwischenabschnitten (89) voneinander unterscheiden.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 9 oder 10, wobei: die Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (84) mit der Wulstdichtung (54) und mit den an den Enden angeordneten Fließfeld-bildenden Vorsprüngen (48a) verbunden sind; die Mehrzahl von konvexen Zwischenabschnitten (89) mit einem Abstand von der Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (84), der Wulstdichtung (54) und den an den Enden angeordneten Fließfeld-bildenden Vorsprüngen (48a) angeordnet sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl von konvexen Zwischenabschnitten (98) zueinander gleich lang sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 12, wobei: jede der Mehrzahl von konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitten (94) jeweils einen konvexen Vorbeifluss-Stoppabschnitt (94a), dessen eines Ende mit der Wulstdichtung verbunden ist und dessen anderes Ende von den an den Enden angeordneten Fließfeld-bildenden Vorsprüngen getrennt ist, und einen anderen konvexen Vorbeifluss-Verhinderungsabschnitt (94b), dessen eines Ende mit der Wulstdichtung verbunden ist und dessen anderes Ende mit den an den Enden angeordneten Fließfeld-bildenden Vorsprüngen verbunden ist, enthält; und der eine konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitt und der andere konvexe Vorbeifluss-Stoppabschnitt an Intervallen in der Erstreckungsrichtung der Fließfeld-bildenden Vorsprünge abwechselnd angeordnet sind.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 1, wobei die konvexen Zwischenabschnitte (98), bei Betrachtung aus Dickenrichtung der Metallseparatoren, einen bogenförmig gekrümmte Form haben.
Die Stromerzeugungszelle (12) nach Anspruch 14, wobei die konvexen Zwischenabschnitte (98) so gekrümmt sind, dass sie an einer Seite des Reaktionsgas-Fließfelds (58) eine konvexe Form haben.