DE10243353A1

DE10243353A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10243353A1
Application number: DE10243353A
Authority: DE
Inventors: Narutoshi Sugita; Seiji Sugiura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: US20030054216A1; JP2003100322A; US6811909B2; JP4812990B2; DE10243353B4; CA2404166C; CA2404166A1

Abstract

Es ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche sowohl in ihrer Größe als auch in ihrem Gewicht reduziert ist, während ein abgedichteter Zustand jeweiliger Verbindungswege durch jeweilige Dichtungselemente zwischen Separatoren und einer Elektrodenanordnung gewährleistet ist. Bei dieser Brennstoffzelle sind in jedem Separator (4, 5) Verbindungsöffnungen (18) für Reaktionsgase und Kühlmedium vorgesehen, welche an einer Außenseite von Gasdichtungselementen (6, 7) vorgesehen sind, und sind Verbindungswege (25) vorgesehen, welche um die Gasdichtungselemente (6, 7) in der Dickenrichtung der Separatoren (4, 5) herumführen und die Reaktionsgasverbindungsöffnungen (18) mit Gasverbindungswegen (8, 9) verbinden. Ein Kühlflächendichtungselement (27), welches den Kühlmediumverbindungsweg von den Reaktionsgasverbindungslöchern (18) abdichtet, ist an einer Position angeordnet, die von den Verbindungswegen (25) zu den Verbindungslöchern (18) hin verschoben ist. Ein konvexer Abschnitt (30) ist zwischen dem Reaktionsgasverbindungsweg (9) und den Verbindungsöffnungen (18) eines Separators (5) vorgesehen, während ein konkaver Abschnitt (32), welcher den konvexen Abschnitt (30) aufnimmt, in dem anderen Separator (4) vorgesehen ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, die durch sandwichartiges Anordnen einer Elektrodenanordnung zwischen Separatoren gebildet sind.

Beschreibung des Standes der Technik

Unter Brennstoffzelleneinheiten gibt es einen Typ, welcher in einer Plattenform durch sandwichförmiges Anordnen einer Elektrodenanordnung zwischen einem Paar von Separatoren ausgebildet ist, wobei die Elektrodenanordnung durch Anordnen einer Anodenelektrode bzw. einer Kathodenelektrode auf beiden Seiten einer Festpolymerelektrolytmembran gebildet ist. Eine Brennstoffzelle ist gebildet durch Stapeln einer Mehrzahl von auf diese Art und Weise strukturierten Brennstoffzelleneinheiten in der Dickenrichtung der Brennstoffzelleneinheiten.

Bei jeder Brennstoffzelleneinheit sind ein Verbindungsweg für Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) an einer Fläche des anodenseitigen Separators vorgesehen, welcher zur Anodenelektrode hinweisend angeordnet ist, sowie ein Verbindungsweg für Oxidationsgas (z. B. Luft, die Sauerstoff enthält) an einer Fläche des kathodenseitigen Separators vorgesehen, welcher zur Kathodenelektrode hinweisend angeordnet ist. Zusätzlich ist ein Verbindungsweg für ein Kühlmedium (z. B. reines Wasser) zwischen benachbarten Separatoren benachbarter Brennstoffzelleneinheiten vorgesehen.

Wenn Brennstoffgas der Elektrodenreaktionsfläche der Anodenelektrode zugeführt wird, wird hier Wasserstoff ionisiert und bewegt sich über die Festpolymerelektrolytmembran zur Kathodenelektrode. Elektronen, welche zwischen diesen beiden erzeugt werden, werden zu einer externen Schaltung abgezogen und als elektrische Gleichstromenergie verwendet. Da der Kathodenelektrode Oxidationsgas zugeführt wird, reagieren Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff derart, dass sie Wasser erzeugen. Da Wärme generiert wird, wenn Wasser an der Elektrodenreaktionsfläche erzeugt wird, wird die Elektrodenreaktionsfläche durch ein Kühlmedium gekühlt, welches man zwischen den Separatoren strömen lässt.

Das Brennstoffgas, das Oxidationsgas (im Allgemeinen als Reaktionsgas bekannt) und das Kühlmedium müssen jeweils durch einen gesonderten Verbindungsweg hindurchströmen. Daher ist eine Dichtungstechnologie wesentlich, welche jeden Verbindungsweg in einem fluiddichten oder luftdichten Zustand hält. Beispiele von Abschnitten, welche abzudichten sind, sind: die Randbereiche von durchdringenden Zufuhranschlüssen, welche ausgebildet sind, um Reaktionsgas und Kühlmedium einer jeden Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffzelle zuzuführen und an diese zu verteilen; die Randbereiche von Ablassöffnungen, welche das Reaktionsgas und das Kühlmedium sammeln und ablassen, welche von jeder Brennstoffzelleneinheit abgelassen werden; die Außenrandbereiche der Elektrodenanordnungen; sowie die Außenrandbereiche zwischen den Separatoren benachbarter Brennstoffzelleneinheiten. Ein Material, welches weich ist und ebenso die geeignete Nachgiebigkeit aufweist, wie etwa organischer Gummi, wird für das Dichtelement verwendet.

In den letzten Jahren wurden jedoch Größen- und Gewichtsverringerung und ebenso eine Verringerung bei den Kosten von Brennstoffzellen, zu den Haupthindernissen bei einem Fortschritt zu einer weiterverbreiteten Anwendung von Brennstoffzellen durch ihre Anbringung in derzeitigen Fahrzeugen.

Verfahren, welche zur Verringerung der Größe einer Brennstoffzelle erdacht wurden, umfassen ein dünneres Ausbilden einer jeden die Brennstoffzelle bildenden Brennstoffzelleneinheit, genauer ein Verringern der Größe des Raums zwischen Separatoren, während eine maximale Größe für den im Inneren einer jeden Brennstoffzelleneinheit gebildeten Reaktionsgasverbindungsweg beibehalten wird; und ebenso ein dünneres Ausführen der Separatoren.

Durch die Festigkeitsanforderungen für jeden Separator und durch die Steifigkeitsanforderungen für die Brennstoffzelle ist jedoch eine Grenze auferlegt, wie dünn die Separatoren ausgebildet werden können. Ein Verringern der Höhe der Dichtelemente ist zwar bei einer Verringerung der Größe des Raums zwischen Separatoren effektiv, jedoch muss die Höhe der Dichtelemente ausreichend sein, damit die Dichtelemente in ausreichendem Maß niedergedrückt werden können, um zu gewährleisten, dass die erforderliche Dichtwirkung erreicht wird. Daher besteht ebenso eine Grenze, wie sehr die Höhe von Dichtelementen verringert werden kann.

Obwohl bei einer Brennstoffzelleneinheit das durch die Dichtelemente eingenommene Volumen unentbehrlich ist, damit das Reaktionsgas und das Kühlmedium darin abgedichtet sind, muss es darüber hinaus so klein wie möglich ausgeführt werden, da dieser Raum praktisch nichts zur Energieerzeugung beiträgt.

Fig. 23 ist eine Draufsicht, welche eine herkömmliche Brennstoffzelle zeigt. In Fig. 23 bezeichnet das Bezugszeichen 107 eine Verbindungsöffnung, wie etwa eine Brennstoffgaszufuhröffnung und -ablassöffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung und -ablassöffnung sowie eine Kühlmediumzufuhröffnung und -ablassöffnung, welche jeweils die Brennstoffzelle 106 in der Richtung durchdringen, in welcher Separatoren 109 und 110 gestapelt sind. Das Bezugszeichen 112 bezeichnet eine Fläche, welche durch eine Mehrzahl von Brennstoffgasverbindungswegen, Oxidationsgasverbindungswegen und Kühlmediumverbindungswegen gebildet ist, welche entlang der Separatoren 109 und 110 verlaufen.

Fig. 24 ist eine Längs-Querschnittsansicht einer herkömmlichen Brennstoffzelle 106 entlang der Linie X-X in Fig. 23. Wie in Draufsicht zu sehen ist, sind die Außenabmessungen in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 106 auf ein Minimum gehalten, um das durch das Dichtungselement (welches zur Energieerzeugung nicht beiträgt) eingenommene Volumen so klein wie möglich zu machen, und zwar herkömmlicherweise durch Anordnen von Gasdichtungselementen 102 und 103, welche jeweils einen Brennstoffgasverbindungsweg 100 und einen Oxidationsgasverbindungsweg 101 abdichten, gemeinsam mit einem Kühlflächendichtungselement 104, welches einen Kühlmediumverbindungsweg abdichtet, in einer Reihe in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten 105 ausgerichtet.

Der Nachteil jedoch bei der Brennstoffzelle 106, welche in dieser Weise aufgebaut ist, ist, dass dann, wenn die Gasdichtungselemente 102 und 103, welche die Verbindungswege 100 und 101 abdichten, ebenso wie das Kühlflächendichtungselement 104 alle in einer Reihe in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 105 angeordnet sind, die Dicke der Brennstoffzelle 106 nicht kleiner als ein Wert gemacht werden kann, welcher durch Addieren der Höhe des Kühlflächendichtungselements 104 zu der minimalen Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 105 und durch Multiplizieren dieses Ergebnisses mit der Anzahl an in der Brennstoffzelle gestapelten Brennstoffzelleneinheiten erhalten wird.

Um dieses genauer zu erläutern, kehrt die Beschreibung zu Fig. 24 zurück. Fig. 24 ist eine Längs-Querschnittsansicht, welche einen Querschnitt der Brennstoffzelle 106 in der Nähe der Brennstoffgaszufuhröffnung 107 in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten 105 zeigt. Gemäß Fig. 24 sind die Brennstoffgaszufuhröffnung 107 und der Brennstoffgasverbindungsweg 100, welche durch die Gasdichtungselemente 102 und 103 in einem abgedichteten Zustand isoliert sind, durch einen Verbindungsweg 108 verbunden. Der Verbindungsweg 108 ist in dem Separator 109 derart vorgesehen, dass er in der Dickenrichtung des Separators 109 um das Gasdichtungselement 102 herumführt, welches den gesamten Randbereich des Brennstoffgasverbindungswegs 100 abdichtet. Darüber hinaus weist der Separator 110 einen (nicht gezeigten) ähnlichen Verbindungsweg in der (nicht dargestellten) Oxidationsgaszufuhröffnung auf.

Dementsprechend ist jeder der Separatoren 109 und 110 vergleichsweise dick ausgebildet, um den Verbindungsweg 108 zu bilden. Wie jedoch im Querschnitt in Fig. 24 an der Position der Dichtungslinie zu sehen ist, bei welcher jedes der Dichtungselemente 102 bis 104 angeordnet ist, sind die Separatoren 109 und 110 mit der minimalen Dicke ausgebildet, welche notwendig ist, um die geforderte Festigkeit sicherzustellen, und es ist nicht möglich, sie irgendwie dünner auszuführen.

Da jedes der Dichtungselemente 102 bis 104 mit der minimalen Höhe gebildet ist, welche benötigt wird, um die Dichtungswirkung sicherzustellen, ist es darüber hinaus nicht möglich, die Höhe der Dichtungselemente 102 bis 104 weiter zu verringern.

Als Folge ist es äußerst schwierig, eine weitere Dickenreduktion zu erreichen, obwohl die Dicke der Brennstoffzelle 106 durch Multiplizieren der Anzahl an Stapeln mit der Summe aus der minimalen Dicke der zwei Separatoren 109 und 110, der zur Bildung des Verbindungswegs 108 benötigten Dicke, der Höhe der zwei Gasdichtungselemente 102 und 103, der Dicke der Festpolymerelektrolytmembran 111 und der Dicke des Kühlflächendichtungselements 104 gefunden wird, da diese alle unerlässlich sind.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände gemacht. Es ist eine Aufgabe derselben, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche durch Verringerung ihrer Dicke in der Stapelrichtung leichter und kleiner gemacht wurde, während die jeweiligen Verbindungswege unter Verwendung der jeweiligen Dichtungselemente zwischen den Separatoren und den Elektrodenanordnungen, die die Brennstoffzelle bilden, zuverlässig abgedichtet sind.

ABRISS DER ERFINDUNG

Um die obigen Probleme zu lösen, ist ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, umfassend Brennstoffzelleneinheiten, wobei die Brennstoffzelleneinheiten gestapelt sind und wenigstens einen Kühlmediumströmungsweg zwischen sich aufweisen und der Kühlmediumströmungsweg durch ein Kühlflächendichtungselement abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit umfasst:
eine Elektrodenanordnung, welche durch Anordnen von Elektroden an beiden Seiten eines Elektrolyts gebildet ist;
Separatoren, welche die Elektrodenanordnung in der Dickenrichtung derselben sandwichartig zwischen sich aufnehmen; sowie
Gasdichtungselemente, welche an einem Außenumfangsabschnitt der Elektrodenanordnung angeordnet sind und welche jeweilige Reaktionsgasdurchgänge abdichten, die zwischen jedem Separator und der Elektrodenanordnung ausgebildet sind und durch die Separatoren und die Elektrodenanordnung begrenzt sind, wobei
in jedem der Separatoren Reaktionsgasverbindungsöffnungen und Kühlmediumverbindungsöffnungen vorgesehen sind, welche an der Außenseite von Elektrodenanordnungsdichtungselementen der Gasdichtungselemente vorgesehen sind, und Reaktionsgasverbindungswege vorgesehen sind, welche um die Elektrodenanordnungsdichtungselemente der Gasdichtungselemente in der Dickenrichtung der Separatoren herum führen und Reaktionsgasverbindungsöffnungen mit Reaktionsgasdurchgängen verbinden; und
in wenigstens einem Separator der Separatoren, welche einander benachbart angeordnet sind und zwischen sich einen Kühlmediumströmungsweg aufweisen, ein konvexer Abschnitt vorgesehen ist, der von einer Rückfläche der Reaktionsgasverbindungswege über wenigstens einen Bereich vorsteht, der den Reaktionsgasverbindungswegen entspricht, und in dem anderen Separator ein konkaver Abschnitt vorgesehen ist, welcher den konvexen Abschnitt aufnimmt.

Gemäß der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Dicke dieses Separators auf das Minimum zu verringern und die Dicke sicherzustellen, welche benötigt wird, um die Reaktionsgasverbindungswege zu bilden, da ein konvexer Abschnitt in einem Separator vorgesehen ist. Da in dem anderen Separator ein konkaver Abschnitt vorgesehen ist, welcher den konvexen Abschnitt aufnimmt, ist es darüber hinaus möglich, den konkaven Abschnitt zu verwenden, um die durch den konvexen Abschnitt erzeugte Dickenzunahme auszugleichen. Dementsprechend kann die zur Bildung der Reaktionsgasverbindungswege notwendige Dicke durch einen Separator und den anderen Separator gemeinsam sichergestellt sein und es ist nicht notwendig, die zur Bildung der Reaktionsgasverbindungswege notwendige Dicke in jedem der beiden Separatoren zu gewährleisten. Daher ist es möglich, die notwendige Dicke eines jeden Separators um den entsprechenden Betrag zu reduzieren und die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit zu verringern. Es wird angemerkt, dass dann, wenn die zur Bildung der Reaktionsgasverbindungswege erforderliche Dicke in einem Separator des Separatorenpaars sichergestellt ist, es möglich ist, den Reaktionsgasverbindungsweg ohne Bereitstellung des konvexen Abschnitts zu bilden. Da es nicht notwendig ist, in dem anderen Separator den dem konvexen Abschnitt entsprechenden konkaven Abschnitt bereitzustellen, kann dementsprechend die Dicke des anderen Separators auf das Minimum verringert sein. Da die kombinierte Dicke beider Separatoren bei dem minimalen Wert gehalten werden kann und da die Anzahl an Stellen, an welchen derartige Abschnitte ausgebildet sind, verglichen damit, wenn ein konvexer Abschnitt und ein konkaver Abschnitt in beiden Separatoren vorgesehen sind, um die Hälfte reduziert ist, wird durch Verwendung einer solchen Struktur der Herstellungsprozess vereinfacht.

Da in einer Brennstoffzelle einige Hundert Brennstoffzelleneinheiten gestapelt sein können, ist es möglich, einen beträchtliche Größenreduktion in der Brennstoffzelle als Ganzes nach Maßgabe dessen zu erreichen, wie viele Einheitszellen gestapelt sind, wobei die Dicke einer jeden von diesen verringert worden ist.

Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, bei welcher das Kühlflächendichtungselement, welches den Kühlmediumverbindungsweg von den Reaktionsgasverbindungsöffnungen abdichtet, an einer Position vorgesehen ist, welche bezüglich der Reaktionsgasverbindungswege näher an der Reaktionsgasverbindungsöffnung liegt.

Bei der Brennstoffzelle dieses Gesichtspunkts der Erfindung kann, da das Kühlflächendichtungselement, welches den Kühlmediumverbindungsweg abdichtet, an einer Position vorgesehen ist, welche von den Verbindungswegen zu der Verbindungsöffnungsseite hin verschoben ist, die Position des Kühlflächendichtungselements in der Stapelrichtung ungeachtet der in der Nähe des Gasdichtungselements vorgesehenen Verbindungswege gewählt werden.

Als Folge ist es möglich, die Position des Kühlflächendichtungselements mit der Position der Verbindungswege in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten zu überlappen. Es ist daher möglich, die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit um den Betrag dieses Überlappungsabschnitts zu verringern.

Noch ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, bei welcher, außer in der Umgebung des Reaktionsgasverbindungswegs, das Kühlflächendichtungselement an im Wesentlichen der gleichen Position angeordnet ist wie die Gasdichtungselemente, betrachtet aus einer Stapelrichtung.

Bei der Brennstoffzelle dieses Gesichtspunkts der Erfindung muss ein Separator in der Nähe eines Verbindungswegs, welcher gebildet ist, um um das Gasdichtungselement in der Dickenrichtung herumzuführen, um den Höhenbetrag des Verbindungswegs dicker ausgeführt sein. Daher ist das Kühlflächendichtungselement zu den Verbindungsöffnungen hin verschoben und eine Situation, bei welcher die Gasdichtungselemente auf der gleichen Dichtungslinie wie die Kühlflächendichtungselemente angeordnet sind, ist vermieden. In anderen Abschnitten als der Nachbarschaft zu den Verbindungswegen, ist es durch Anordnen der Gasdichtungselemente in Reihenausrichtung mit den Kühlflächendichtungselementen in der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten möglich, den Oberflächeninhalt der Brennstoffzelleneinheiten zu verringern. Durch Verschieben der Dichtungslinie in die Nähe der Verbindungsöffnungen in der gleichen Art und Weise wie bei den Brennstoffzellen gemäß dem obigen ersten Gesichtspunkt, ist es darüber hinaus möglich, das Kühlflächendichtungselement mit den Verbindungswegen in der Stapelrichtung zu überlagern und das Kühlflächendichtungselement und das Gasdichtungselement können in der Stapelrichtung einander benachbart angeordnet sein. Dadurch wird eine weitere Verringerung der Dicke der Brennstoffzelle ermöglicht.

Bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann der Kühlmediumverbindungsweg in jedem Raum zwischen den einander benachbarten Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sein. Bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten einen Satz aus Brennstoffzelleneinheiten bilden und der Kühlmediumverbindungsweg kann in jedem Raum zwischen benachbarten Sätzen von Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sein.

Bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann das Gasdichtungselement als eine doppelt dichtende Struktur an einer Seite eines Separators vorgesehen sein, welcher die Brennstoffzelleneinheit bildet.

Bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann eine Elektrode der Elektroden sich zu einer Größe erstrecken, welche im Wesentlichen die gleiche wie jene des Elektrolyts ist.

Bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung können die Separatoren aus Metallplatten durch Pressumformen gebildet sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche in typischer Ansicht eine Brennstoffzelleneinheit zeigt, die die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet.

Fig. 2 ist eine Draufsicht, welche die Elektrodenanordnung zeigt, die die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.

Fig. 3 ist eine Draufsicht, welche einen Separator zeigt, der die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.

Fig. 4 ist eine Draufsicht, welche einen weiteren Separator zeigt, der die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.

Fig. 5A und 5B sind Draufsichten, welche die Rückflächen der in Fig. 3 und 4 gezeigten Separatoren zeigt.

Fig. 6 ist eine Draufsicht, welche das Gasdichtungselement zeigt, das die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelleneinheit bildet.

Fig. 7 ist eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das in Fig. 6 gezeigte Gasdichtungselement an dem in Fig. 3 gezeigten Separator angeordnet ist.

Fig. 8 ist eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das in Fig. 6 gezeigte Gasdichtungselement an der in Fig. 2 gezeigten Elektrodenanordnung angeordnet ist.

Fig. 9 ist eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, bei welchem das in Fig. 6 gezeigte Gasdichtungselement an dem in Fig. 4 gezeigten Separator angeordnet ist.

Fig. 10 ist eine Draufsicht, welche das Kühlflächendichtungselement zeigt, das die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelle bildet.

Fig. 11 ist eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, bei welchem das in Fig. 10 gezeigte Kühlflächendichtungselement an dem in Fig. 5 gezeigten Separator angeordnet ist.

Fig. 12A ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 9, welche die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelle zeigt, und Fig. 12B ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie B-B, welche die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelle zeigt.

Fig. 13A ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie C-C in Fig. 9, welche die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelle zeigt, und Fig. 13B ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie D-D, welche die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelle zeigt.

Fig. 14 ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie E-E in Fig. 9, welche die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzelle zeigt.

Fig. 15A und 15B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 16A und 16B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 17A und 17B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 18A und 18B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 19A und 19B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 13A und 13B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 20A und 20B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 21A und 21B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 22A und 22B sind Längs-Querschnittsansichten, welche die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend den Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform zeigen.

Fig. 23 ist eine Draufsicht, welche schematisch eine Brennstoffzelleneinheit in einer herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt.

Fig. 24 ist eine Längs-Querschnittsansicht, welche die Nachbarschaft einer Brennstoffgaszufuhröffnung in der in Fig. 23 gezeigten Brennstoffzelle entlang der Linie X-X zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Brennstoffzelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden ausführlich mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.

Wie in Fig. 12A und 12B gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gebildet durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Brennstoffzelleneinheit 2 gebildet durch sandwichartiges Anordnen einer Elektrodenanordnung 3 zwischen einem Paar von Separatoren 4 und 5. Zwischen der Elektrodenanordnung 3 und jedem der Separatoren 4, und 5 sind jeweils Gasdichtungselemente 6 und 7 angeordnet. Wie in Fig. 12A und 12B gezeigt ist, begrenzen diese Gasdichtungselemente 6 und 7 einen Brennstoffgasdurchgang 8 und einen Oxidationsgasdurchgang 9, um sie auf beiden Seiten der Elektrodenanordnung 3 abzudichten.

Wie in Fig. 2 und Fig. 12A und 12B gezeigt ist, weist die Elektrodenanordnung 3 beispielsweise eine Festpolymerelektrolytmembran 10 auf (unten einfach als Elektrolytmembran bezeichnet), welche aus einem Perfluorsulfonat-Polymer gebildet ist, und weist eine Anodenelektrode 11 und eine Kathodenelektrode 12 auf, welche zwei Flächen der Elektrolytmembran 10 sandwichartig zwischen sich aufnehmen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Elektrolytmembran 10 beispielsweise eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 10a auf. Die Elektrolytmembran 10ist von der gleichen Größe wie die Separatoren 4 und 5, welche unten beschrieben werden, und jedes der Durchgangslöcher 10a ist an einer Position angeordnet, welche den jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und den jeweiligen Ablassöffnungen 20 bis 22 der Separatoren 4 und 5 entspricht.

Die Anodenelektrode 11 und die Kathodenelektrode 12 sind beispielsweise aufgebaut durch Stapeln von Katalysatorlagen, welche aus einer Legierung mit Pt (Platin) als Hauptbestandteil gebildet sind, auf einer Fläche einer aus porösem Kohlenstoffgewebe oder porösem Kohlenstoffpapier gebildeten Gasdiffusionslage, welche sich in Kontakt mit der Elektrolytmembran 10 befindet.

Zwei Arten von Separatoren 4 und 5 können für die Separatoren 4 und 5 verwendet werden, welche die Brennstoffzelleneinheiten 2 bilden. Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist jeder der Separatoren 4 und 5 gebildet aus:
geriffelten Abschnitten 4a und 5a, welche aus einer Mehrzahl von Vertiefungen und Höckern gebildet ist, die eine feste Höhe haben und in einem festen Muster durch Ausschaben einer Mehrzahl von Nuten 13 bis 16 (siehe Fig. 13B) in einer Fläche einer flachen Platte aus Kohlenstoff gebildet sind; einer Brennstoffgaszufuhröffnung (Reaktionsgasverbindungsöffnung) 17, einer Oxidationsgaszufuhröffnung (Reaktionsgasverbindungsöffnung) 18, einer Kühlmediumzufuhröffnung (Kühlmediumverbindungsöffnung) 19, einer Brennstoffgasablassöffnung (Reaktionsgasverbindungsöffnung) 20, einer Oxidationsgasablassöffnung (Reaktionsgasverbindungsöffnung) 21 und einer Kühlmediumablassöffnung (Kühlmediumverbindungsöffnung) 22, welche jeweils die zwei Separatoren 4 und 5 durchdringen, um sowohl die Zufuhr als auch die Abfuhr von Brennstoffgas (z. B. Wasserstoffgas), Oxidationsgas (z. B. Luft, die Sauerstoff enthält) und einem Kühlmedium (z. B. reines Wasser) zu ermöglichen, welche man durch die geriffelten Abschnitte 4a und 5a strömen lässt; sowie ebenen Abschnitten 4b und 5b, welche derart angeordnet sind, dass sie jede Zufuhröffnung 17bis 19, jede Ablassöffnung 20 bis 22 und jeden geriffelten Abschnitt 4a und 5a umgeben.

Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, sind die Kühlmediumzufuhröffnung 19 und die Kühlmediumablassöffnung 22 im Wesentlichen in der Mitte in der Querrichtung der Separatoren 4 und 5 angeordnet (d. h. die durch den Pfeil P angezeigte Richtung). Die Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und die Oxidationsgaszufuhröffnung 18 sind an beiden Seiten in der Querrichtung der Separatoren 4 und 5 (d. h. die durch den Pfeil P angezeigte Richtung) angeordnet, wobei sie die Kühlmediumzufuhröffnung 19 sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Darüber hinaus sind die Brennstoffgasablassöffnung 20 und die Oxidationsgasablassöffnung 21 an beiden Seiten in der Querrichtung der Separatoren 4 und 5 (d. h. die durch den Pfeil P angezeigte Richtung) angeordnet, wobei sie die Kühlmediumablassöffnung 22 sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Die Brennstoffgasablassöffnung 20 und die Oxidationsgasablassöffnung 21 sind an bezüglich der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 Abschnitten diagonal entgegengesetzten angeordnet.

Die Längen (wie durch den Pfeil R angezeigt ist) der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und -ablassöffnung 20 und die Längen der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 und -ablassöffnung 21 in den Längsrichtungen der Separatoren 4 und 5 (die durch den Pfeil Q angezeigte Richtung) sind kürzer ausgeführt als die Längen (wie durch den Pfeil S angezeigt ist) der benachbarten Kühlmediumzufuhröffnung 19 und -ablassöffnung 22. Als Folge ist die Größe des Raums (wie durch den Pfeil T angezeigt ist) von der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und -ablassöffnung 20 sowie von der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 und -ablassöffnung 21 zu den geriffelten Abschnitten 4a und 5a größer ausgeführt als die Größe des Raums (wie durch den Pfeil U angezeigt ist) von der Kühlmediumzufuhröffnung 19 und -ablassöffnung 22 zu den geriffelten Abschnitten 4a und 5a.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind zwischen der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 und dem geriffelten Abschnitt 4a und zwischen dem geriffelten Abschnitt 4a und der Brennstoffgasablassöffnung 20 auf einer Fläche des einen Separators 4 Brennstoffgasverbindungswege 23 ausgebildet, welche jeweils gestatten, dass von der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 zugeführtes Brennstoffgas zu dem geriffelten Abschnitt 4a hindurchtritt und das durch den geriffelten Abschnitt 4a hindurchgetretenes Brennstoffgas aus der Brennstoffgasablassöffnung 20 abgelassen wird. Die Brennstoffgasverbindungswege 23 sind mit einer Mehrzahl von Nuten 23a versehen, welche auf einer Fläche eines Separators und einer flachen Brückenplatte 23b ausgebildet sind, die über die Nuten 23a hinweg verläuft. Auf der Vorderfläche des Separators 4, an welcher die Brückenplatte 23b angeordnet ist, ist ein konkaver Abschnitt 24 ausgebildet, in welchen die Brückenplatte 23b eingepasst ist. Dieser konkave Abschnitt 24 versetzt die Fläche der Brückenplatte 23b in die Lage, in der gleichen ebenen Fläche angeordnet zu werden wie die Fläche 4b des Separators 4.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind in der gleichen Art und Weise wie für den Separator 4 Oxidationsgasverbindungswege 25, welche durch eine Mehrzahl von Nuten 25a und eine Brückenplatte 25b gebildet sind, ebenso zwischen der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 und dem geriffelten Abschnitt 5a und zwischen dem geriffelten Abschnitt 5a und der Oxidationsgasablassöffnung 21 auf einer Fläche des Separators 5 vorgesehen.

Wie in Fig. 5A und 5B gezeigt ist, sind auf den anderen Seiten der zwei Separatoren 4 und 5 ein Kühlmediumverbindungsweg 26, welcher die Kühlmediumzufuhröffnung 19 mit den geriffelten Abschnitten 4a und 5a verbindet, sowie ein Kühlmediumverbindungsweg 26 vorgesehen, welcher die geriffelten Abschnitte 4a und 5a mit der Kühlmediumablassöffnung 22 verbindet.

Wie in Fig. 5A gezeigt ist, sind darüber hinaus konvexe Abschnitte 30 in einem Separator 5 vorgesehen, während, wie in Fig. 5B gezeigt ist, konkave Abschnitte 32, welche die konvexen Abschnitte 30 aufnehmen, in dem anderen Separator 4 vorgesehen sind. Diese sind unten ausführlich beschrieben.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7 integral in einer Konfiguration ausgebildet, welche eine Mehrzahl von Unterschlaufenabschnitten 6b und 7b aufweist, die jede der Zufuhröffnungen 17 bis 19 und Ablassöffnungen 20 und 22 einkreisen, und zwar auf beiden Seiten von Hauptschlaufenabschnitten 6a und 7a, welche die Außenumfangsbereiche der geriffelten Abschnitte 4a und 5a einkreisen.

Fig. 7 bis 9 zeigen jeweils einen Zustand, in welchem diese Dichtungselemente 6 und 7 an einer Fläche des einen Separators 4, an einer Fläche der Elektrodenanordnung 3 und an einer Fläche des anderen Separators 5 angeordnet sind.

Wie in Fig. 7 bis 9 zu sehen ist, sind die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 7a der Gasdichtungselemente 6 und 7 derart angeordnet, dass sie entlang der ebenen Abschnitte 4b und 5b zwischen den jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und Ablassöffnungen 20 bis 22 und den geriffelten Abschnitten 4a und 5b verlaufen. Als Folge treten die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 7a über die Oberseite der Brückenplatten 23b und 25b, welche in den Verbindungswegen 23 und 25 vorgesehen sind, und die jeweiligen Zufuhröffnungen 17 bis 19 und Ablassöffnungen 20 bis 22 sind lediglich durch die Nuten 23a und 25a, welche die Verbindungswege 23 und 25 bilden, mit den geriffelten Abschnitten 4a und 5a verbunden. Die übrigen Abschnitte sind in einem fluiddichten Zustand abgedichtet.

Wie in Fig. 12A und 12B gezeigt ist, sind eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 2, welche in dieser Art und Weise ausgebildet sind, gestapelt, wobei Kühlflächendichtungselemente 27 zwischen jeder Brennstoffzelleneinheit 2 angeordnet sind. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, weist jedes Kühlflächendichtungselement 27 eine Struktur auf, bei welcher ein Hauptschlaufenabschnitt 27a integral mit Unterschlaufenabschnitten 27b verbunden ist.

Ein Zustand, bei welchem ein Kühlflächendichtungselement 27, so wie es ist, an den anderen Flächenseiten eines jeden der Separatoren 4 und 5 angeordnet ist, ist in Fig. 11 gezeigt.

Wie in Fig. 11 gezeigt ist, verläuft der Hauptschlaufenabschnitt 27a des Kühlflächendichtungselements 27 zwischen den Zufuhröffnungen 17 und 18 des Brennstoffgases und Oxidationsgases und den geriffelten Abschnitten 4a und 5a und ebenso zwischen den Ablassöffnungen 20 und 21 und den geriffelten Abschnitten 4a und 5a und dichtet den Randbereich eines Kühlmediumverbindungswegs 28 ab, welcher die Kühlmediumzufuhröffnung 19 mit den geriffelten Abschnitten 4a und 5a über den Verbindungsweg 26 verbindet und die geriffelten Abschnitte 4a und 5a mit der Kühlmediumablassöffnung 22 über den Verbindungsweg 26 verbindet. Darüber hinaus dichten die Unterschleifenabschnitte 27b des Kühlflächendichtungsabschnitts 27 unabhängig jede der Brennstoffgas- und Oxidationsgaszufuhröffnungen 17 und 18 und -ablassöffnungen 20 und 21 ab. Es ist anzumerken, dass in Fig. 11 der konvexe Abschnitt 30 und der konkave Abschnitt 32, welche unten ausführlich beschrieben sind (siehe Fig. 5A und 5B) aus Gründen der Deutlichkeit aus den Zeichnungen weggelassen sind.

Wenn die Abschnitte des Hauptschlaufenabschnitts 27a des Kühlflächendichtungselements 27, welche zwischen den Zufuhröffnungen 17 und 18 des Brennstoffgases und des Oxidationsgases und den geriffelten Abschnitten 4a und 5a und ebenso zwischen den Ablassöffnungen 20 und 21 und den geriffelten Abschnitten 4a und 5a verlaufen, mit den Positionen verglichen werden, bei welchen die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 7a des oben beschriebenen Gasdichtungselements entlang verlaufen (wie durch die gestrichelte Linie gezeigt ist), dann ist zu sehen, dass diese Abschnitte des Hauptschlaufenabschnitts 27a bei unterschiedlichen Positionen von den Hauptschlaufenabschnitten 6a und 7a aus angeordnet sind, um an Positionen vorbei zu verlaufen, welche näher an den Zufuhröffnungen 17 und 18 und an den Ablassöffnungen 20 und 21 liegen.

Querschnitte jeweiliger Abschnitte einer Brennstoffzelle 1, welche in dieser Art und Weise aufgebaut ist, sind in Fig. 12A und 12B gezeigt. Fig. 12A ist eine Längs-Querschnittsansicht, wobei der Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 9 genommen ist. Fig. 14 ist eine Längs-Querschnittsansicht entlang der Linie E-E in Fig. 9. Fig. 12 zeigt einen Weg, welcher Oxidationsgas gestattet, von der Oxidationsgaszufuhröffnung 18, die jeden der Separatoren 4 und 5 in der Dickenrichtung derselben durchdringt, über den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu dem zwischen der Kathodenelektrode 12 und dem Separator 5 gebildeten Oxidationsgasdurchgang zu strömen.

Wie in Fig. 12A zu sehen ist, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7, welche die Fläche zwischen der Elektrodenanordnung 3 und dem Paar von Separatoren 4 und 5, die auf beiden Seiten derselben angeordnet sind, abdichten, derart angeordnet, dass sie die Elektrolytmembran 10 sandwichartig in der Dickenrichtung derselben bei einer Position zwischen sich aufnehmen, welche der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 2 entgegengesetzt ist. Der Hauptschlaufenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 des Oxidationsgases 9 ist auf einer Brückenplatte 25b angeordnet, welche genau über den im Separator 5 ausgebildeten Oxidationsgasverbindungsweg 25 hinweg verläuft. Dies bedeutet, der Oxidationsgasverbindungsweg 25 verläuft um den Hauptschlaufenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 in der Dickenrichtung des Separators 5 herum und verbindet den Innenbereich des Hauptschlaufenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 mit dessen Außenbereich. Oxidationsgas, welches von der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 auf der Außenseite des Hauptschlaufenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 zugeführt wird, kann in den Oxidationsgasdurchgang 9 auf der Innenseite des Hauptschlaufenabschnitts 7a des Gasdichtungselements 7 einströmen.

In diesem Falle ist das Kühlflächendichtungselement 7, welches jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den Kühlmediumverbindungsweg 28 abgrenzt, an einer Position angeordnet, welche näher an der Oxidationsgaszufuhröffnung 18 liegt als der Oxidationsgasverbindungsweg 25, bei welchem das Gasdichtungselement 7 vorgesehen ist. Als Folge kann das Kühlflächendichtungselement 27 an einer Position angeordnet sein, wo es in der Dickenrichtung des Separators 4 die den Oxidationsgasverbindungsweg 25 bildenden Nuten 25a überlappt, welche durch Ausschnitzen einer Fläche des Separators 5 in dessen Dickenrichtung gebildet sein.

Wie in Fig. 12A und 14 gezeigt ist, ist der konvexe Abschnitt 30 über einer Fläche vorgesehen, welche dem Oxidationsgasverbindungsweg 25 entspricht, der in dem einen Separator 5 vorgesehen ist. Als Folge hat die Dicke der Nuten 25a des relevanten konvexen Abschnitts 30 die Dicke, welche erforderlich ist, um den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu bilden. Der konkave Abschnitt 25, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt, ist in dem anderen Separator 4 vorgesehen und der konvexe Abschnitt 30 ist in dem konkaven Abschnitt 32 aufgenommen. Da der konvexe Abschnitt 30 an dem einen Separator 5 in dem konkaven Abschnitt 32 in dem anderen Separator 4 auf diese Art und Weise aufgenommen ist, kann die Dicke, welche erforderlich ist, um den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu bilden, durch den einen Separator 5 und den anderen Separator 4 zusammengenommen gewährleistet werden. Da die Separatoren 4 und 5 einzeln nicht eine ausreichende Dicke aufweisen müssen, um den Oxidationsgasverbindungsweg 25 zu bilden, wie es herkömmlicherweise der Fall ist, ist es dementsprechend möglich, die in den beiden Separatoren 4 und 5 benötigte Dicke um den entsprechenden Betrag zu reduzieren. Es ist daher möglich, die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 2 zu verringern. Es wird angemerkt, dass der konkave Abschnitt 32 größer ausgeführt ist als die ebene Abmessung des konvexen Abschnitts 30, was die Positionierung vereinfacht, wenn der konvexe Abschnitt 30 in dem konkaven Abschnitt 32 aufgenommen ist.

Die obige Beschreibung gilt für die Oxidationsgaszufuhröffnung 18, die gleiche Beschreibung gilt ebenso im Falle der Oxidationsgasablassöffnung 21.

Fig. 12B ist eine Längs-Querschnittsansicht, wobei der Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 9 genommen ist. Fig. 12B zeigt einen Weg, welcher Brennstoffgas gestattet, von der Brennstoffgaszufuhröffnung 17, welche jeden der Separatoren 6 und 7 in deren Dickenrichtung durchdringt, über den Brennstoffgasverbindungsweg 23 zu dem zwischen der Anodenelektrode 11 und dem Separator 4 ausgebildeten Brennstoffgasdurchgang 8 zu strömen.

Wie ebenso in Fig. 12B zu sehen ist, sind die Gasdichtungselemente 6 und 7, welche die Fläche zwischen der Elektrodenanordnung 3 und dem Paar von Separatoren 4 und 5, die auf beiden Seiten derselben angeordnet sind, derart angeordnet, dass sie die Elektrolytmembran 10 in der Dickenrichtung derselben an einer Position, welche der Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit 2 gegenüberliegt, sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Der Hauptschlaufenabschnitt 6a des Gasdichtungselements 6 des Brennstoffgasdurchgangs 8 ist an einer Position angeordnet, welche näher bei der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 als der in dem Separator 4 ausgebildete Brennstoffgasverbindungsweg 23 liegt. Dies bedeutet, der Brennstoffgasverbindungsweg 23 führt um den Hauptschlaufenabschnitt 6a des Gasdichtungselements 6 in der Dickenrichtung des Separators 4 herum und verbindet den Innenbereich des Hauptschlaufenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 mit dessen Außenbereich. Brennstoffgas, welches in der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 auf der Außenseite des Hauptschlaufenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 zugeführt wird, kann dadurch in den Brennstoffdurchgang 8 auf der Innenseite des Hauptschlaufenabschnitts 6a des Gasdichtungselements 6 hineintreten.

Es ist anzumerken, dass es, anders als der Separator 5, welcher den Oxidationsgasverbindungsweg 25 bildet, möglich ist, den Brennstoffgasverbindungsweg 23 ohne Vorsehen eines konvexen Abschnitts zu bilden, da der Separator 4 eine ausreichende Dicke aufweist, um den Brennstoffgasverbindungsweg 23 zu bilden. Da keine Notwendigkeit besteht, ebenso einen konkaven Abschnitt in dem Separator 5 bereitzustellen, welcher zu dem konvexen Abschnitt passt, wie in Fig. 12A und 12B dargestellt ist, ist es dementsprechend möglich, dass die Dicke des Separators 5 auf das Minimum verringert wird. Unter Verwendung einer solchen Struktur, verglichen damit, wenn der konvexe Abschnitt 30 und der konkave Abschnitt 32, welcher diesen aufnimmt, sowohl im Separator 4 als auch im Separator 5 vorgesehen sind, muss die kombinierte Dicke sowohl des Separators 4 als auch des Separators 5 nicht geändert werden. Der Herstellungsprozess ist vereinfacht. Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform eine Beschreibung davon gegeben ist, wenn der konvexe Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 5 vorgesehen ist, welcher den Oxidationsgasverbindungsweg 25 bildet und der konkave Abschnitt 32, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt, lediglich in dem Separator 4 vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und es ist ebenso möglich, den konvexen Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 4 vorzusehen und den konkaven Abschnitt 32, welcher den konkaven Abschnitt 30 aufnimmt, lediglich in dem Separator 5 vorzusehen, oder sowohl einen konvexen Abschnitt 30 als auch einen konkaven Abschnitt 32, welcher den konkaven Abschnitt 30 aufnimmt, in sowohl dem Separator 4 als auch dem Separator 5 vorzusehen.

In diesem Falle ist das Kühlflächendichtungselement 27, welches jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den Kühlmediumverbindungsweg 28 abgrenzt, an einer Position angeordnet, welche näher an der Seite der Brennstoffgaszufuhröffnung 17 liegt als der Brennstoffgasverbindungsweg 23, bei welchem die Gasdichtungselemente 6 und 7 vorgesehen sind. Als Folge kann das Kühlflächendichtungselement 27 an einer Position angeordnet sein, an welcher es in der Dickenrichtung des Separators 4 die den Brennstoffgasverbindungsweg 23 bildenden Nuten 23a überlappt, welche durch Ausschnitzen einer Fläche des Separators 4 in dessen Dickenrichtung gebildet sind.

Die obige Beschreibung gilt ebenso in dem Falle der Brennstoffgasablassöffnung 20.

Dementsprechend ist es möglich, die durch das Kühlflächendichtungselement 27 eingenommene Höhe, welche von dem Kühlflächendichtungselement 27 benötigt wird, um eine ausreichende Dichtleistung bereitzustellen, in großem Maße zu verringern, während gleichzeitig die Dicke der Separatoren 4 und 5 an den Positionen beibehalten wird, an welchen die Verbindungswege 23 und 25 ausgebildet sind. Da die zur Bildung der Verbindungswege 23 und 25 benötigte Dicke durch die zwei Separatoren 4 und 5 gewährleistet sein kann, und da keine Notwendigkeit besteht, dass beide Separatoren 4 und 5 jeweils die Dicke aufweisen müssen, welche zur Bildung der Verbindungswege 23 und 25 erforderlich ist, ist es darüber hinaus möglich, die Dicken, welche von den jeweiligen Separatoren 4 und 5 benötigt werden, um den entsprechenden Betrag zu verringern. Folglich kann die Höhe der Brennstoffzelle 1 deutlich verringert werden.

Fig. 13A und 13B sind Längs-Querschnittsansichten entlang der Linien C-C bzw. D-D in Fig. 9. Diese Zeichnungen zeigen einen Kühlmediumweg, welcher die Kühlmediumzufuhröffnung 19 mit dem Kühlmediumverbindungsweg 28 verbindet, der durch benachbarte Brennstoffzelleneinheiten abgegrenzt ist, und zeigen ebenso den Brennstoffgasdurchgang 8, den Oxidationsgasdurchgang 9 und den Kühlmediumverbindungsweg 28, welche durch die geriffelten Abschnitte 4a und 5a abgegrenzt sind.

Als Nächstes zeigen Fig. 15A und 15B die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten entsprechend Fig. 12A bzw. 12B der ersten Ausführungsform. Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen an passenden Stellen an Bauteilelemente vergeben sind, welche jenen der ersten Ausführungsform entsprechen. Eine Beschreibung derselben ist hier weggelassen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich darin, dass ein Kühlmediumverbindungsweg 28 für alle zwei Brennstoffzelleneinheiten 2 ausgebildet ist und eine Kühlung an jeder zweiten Zelle (d. h. jeder zweiten Brennstoffzelleneinheit) durchgeführt wird. Die Brennstoffzelle 1 der vorliegenden Erfindung ist mit einem Separator 33 versehen, bei welchem der Kühlmediumkommunikationsweg 28 nicht ausgebildet ist. Der Separator 33 weist eine ausreichende Dicke auf, um die Bildung der Verbindungswege 23 und 25 zu gestatten. In der gleichen Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform wird in dieser Ausführungsform ebenso die Wirkung erhalten, die Dicke der Separatoren 4 und 5 verringern zu können. Zusätzlich wird die Wirkung erreicht, dass es möglich ist, die Elemente, welche zur Kühlung verwendet werden, wie etwa das Kühlflächendichtungselement 27, um den gleichen Betrag wie die Abnahme in den Stellen zu verringern, bei welchem der Kühlmediumverbindungsweg 28 gebildet ist. Dies erlaubt eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses. Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform eine Beschreibung davon gegeben ist, wenn eine Kühlung für jede zweite Zelle durchgeführt wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und die Brennstoffzelle kann ebenso derart aufgebaut sein, dass eine Kühlung für jede dritte Brennstoffzelleneinheit 2 oder darüber hinaus ausgeführt wird.

Fig. 16A und 16B zeigen die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten, welche Fig. 12A bzw. 12B der ersten Ausführungsform entsprechen. Bei dieser Ausführungsform ist die Elektrodenanordnung 3 unter Verwendung lediglich des einen Dichtungselements 6 abgedichtet. Das Dichtungselement 6 ist mit einem Hauptschlaufenabschnitt 6a versehen, welcher sich in Kontakt mit dem Umfangsrandabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran 10 befindet, und ist mit einem Hauptschlaufenabschnitt 6c versehen, welcher an einem Außenumfang des Hauptschlaufenabschnitts 6a gelegen ist. Die Elektrodenanordnung 3 ist durch die Hauptschlaufenabschnitte 6a und 6c doppelt abgedichtet. Daher wird zusätzlich zu den für die erste Ausführungsform beschriebenen Wirkungen die Wirkung erhalten, dass man in der Lage ist, Gasleckagen aus der Elektrodenanordnung 3 nach draußen mit noch größerer Zuverlässigkeit verhindern kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der konvexe Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 4 vorgesehen, welcher den Brennstoffgasverbindungsweg 23 bildet und der konkave Abschnitt 32, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt, ist lediglich in dem Separator 5 vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt und es ist ebenso möglich, den konvexen Abschnitt 30 lediglich in dem Separator 5 vorzusehen und den konkaven Abschnitt 32, welcher den konkaven Abschnitt 30 aufnimmt, lediglich in dem Separator 4 vorzusehen, oder sowohl einen konvexen Abschnitt 30 als einen konkaven Abschnitt 32, welcher den konkaven Abschnitt 30 aufnimmt, in sowohl dem Separator 4 als auch dem Separator 5 vorzusehen. Darüber hinaus kann das Abdichten der Elektrodenanordnung 3 unter Verwendung lediglich eines Doppeldichtungselements 7 auf der anderen Seite erreicht werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine doppelt-dichtende Struktur begrenzt und eine mehrfach-dichtende Struktur, welche durch drei oder mehr Dichtungen gebildet ist, kann verwendet werden.

Darüber hinaus kann auch eine Kombination der mehrfach-dichtenden Struktur der vorliegenden Erfindung mit der Struktur verwendet werden, bei welcher eine Kühlung für Gruppen bestehend aus einer Mehrzahl von Zellen der obigen Ausführungsform durchgeführt wird.

Fig. 17A und 17B zeigen die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten entsprechend Fig. 12A bzw. 12B der ersten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich darin, dass die Kathodenelektrode 12 genauso groß wie die Festpolymerelektrolytmembran 10 ausgebildet ist, welche größer als die Anodenelektrode 11 ist. Bei dieser Ausführungsform wird zusätzlich zu den durch die erste Ausführungsform bereitgestellten Wirkungen die Wirkung erhalten, dass es möglich ist, die Festigkeit in der Dickenrichtung der Elektrodenanordnung 3 durch Verstärken der Festpolymerelektrolytmembran 10 mit der Kathodenmembran 12 zu erhöhen. Es wird angemerkt, dass es ebenso möglich ist, die Anodenelektrode 11 größer als die Kathodenelektrode 12 auszuführen, und weiter die Struktur in der Art und Weise zu ändern, wie sie in den obigen Ausführungsformen beschrieben ist.

Fig. 18A und 18B und 19A und 19B zeigen die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und sind Längs-Querschnittsansichten entsprechend Fig. 12A bzw. 12B und 13A bzw. 13B der ersten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind der Separator 4 und der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a, Zufuhröffnungen 17 bis 19, Ablassöffnungen 20 bis 22 und ebenen Abschnitten 4b und 5b, wie in Fig. 1 gezeigt ist, durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl mit einer Plattendicke von ca. 0,2 bis 0,5 mm versehen. In der gleichen Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform ist in der Brennstoffzelle 1 der vorliegenden Ausführungsform das Kühlflächendichtungselement 27, welches jede Brennstoffzelleneinheit 2 abdichtet und den Kühlmediumverbindungsweg 28 begrenzt, bei einer Position angeordnet, welche näher an den jeweiligen Zufuhröffnungen 18 als die Verbindungswege 23 und 25liegt, bei denen der Hauptschleifenabschnitt 7a des Gasdichtungselements 7 vorgesehen ist. Als Folge kann das Kühlflächendichtungselement 27 an einer Position angeordnet werden, bei welcher es in der Dickenrichtung die Nuten 23a und 25a der Oxidationsgasverbindungswege 23 und 25 überlappt, welche gebildet sind durch Verbinden von Flächen von sowohl dem Separator 4 als auch dem Separator 5 miteinander. Es ist daher möglich, die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 2 um den Betrag dieses Überlappungsabschnitts zu verringern. Darüber hinaus ist ein konvexer Abschnitt 30 an dem Separator 4 vorgesehen, welcher sich über einen Bereich erstreckt, der dem Gasverbindungsweg 23 entspricht, und es ist ein konkaver Abschnitt 32, welcher den konvexen Abschnitt 30 aufnimmt, in dem Separator 5 vorgesehen, wodurch die zur Bildung des Brennstoffgasverbindungswegs 23 notwendige Dicke bereitgestellt wird. Dementsprechend ist es in der gleichen Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform möglich, die Dicke einer jeden Brennstoffzelleneinheit 2 zu verringern und die Höhe der Brennstoffzelle 1 in großem Maße zu verringern, selbst wenn die Separatoren 4 und 5 durch Pressumformen eines Metallwerkstoffs gebildet sind.

Als Nächstes zeigen Fig. 20A und 20B die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und diese sind Längs-Querschnittsansichten, welche Fig. 12A bzw. 12B der ersten Ausführungsform entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind in der gleichen Weise wie bei der fünften Ausführungsform der Separator 4 und der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a, Zufuhröffnungen 17 bis 19, Ablassöffnungen 20 bis 22 und ebenen Abschnitten 4b und 5b versehen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und zwar durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl. Zusätzlich ist bei der vorliegenden Ausführungsform in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausführungsform ein Kühlmediumverbindungsweg 28 für jede zweite Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildet und eine Kühlung wird an jeder zweiten Zelle (d. h. jeder zweiten Brennstoffzelleneinheit) durchgeführt, wodurch die gleichen Wirkungen wie bei der zweiten Ausführungsform bereitgestellt werden.

Als Nächstes zeigen Fig. 21A und 21B die siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und diese sind Längs-Querschnittsansichten, welche Fig. 12A bzw. 12B der ersten Ausführungsform entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind in der gleichen Weise wie bei der fünften Ausführungsform der Separator 4 und der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a, Zufuhröffnungen 17 bis 19, Ablassöffnungen 20 bis 22 und ebenen Abschnitten 4b und 5b, wie in Fig. 1 gezeigt ist, durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl versehen. Zusätzlich wird bei der vorliegenden Ausführungsform in gleicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform das Dichten der Elektrodenanordnung 3 lediglich durch das Dichtungselement 6 durchgeführt. Es wird eine Doppeldichtung verwendet, wodurch die gleichen Wirkungen wie bei der dritten Ausführungsform bereitgestellt werden.

Als Nächstes zeigen Fig. 22A und 22B die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und diese sind Längs-Querschnittsansichten, welche Fig. 12A und 12B der ersten Ausführungsform entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind in der gleichen Weise wie bei der fünften Ausführungsform der Separator 4 und der Separator 5 mit geriffelten Abschnitten 4a und 5a, Zufuhröffnungen 17 bis 19, Ablassöffnungen 20 bis 22 und ebenen Abschnitten 4b und 5b, wie in Fig. 1 gezeigt ist, durch Pressumformen einer Platte aus nicht-rostendem Stahl versehen. Zusätzlich ist bei der vorliegenden Ausführungsform in der gleichen Art und Weise wie bei der vierten Ausführungsform die Kathodenelektrode 12 genauso groß ausgebildet wie die Festpolymerelektrolytmembran 10, welche größer ist als die Anodenelektrode 11, wodurch die gleichen Wirkungen wie bei der vierten Ausführungsform bereitgestellt werden.

Mögliche industrielle Anwendungen

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen bereit.

1. Bei der Brennstoffzelle gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die zur Bildung eines Reaktionsgasverbindungswegs notwendige Dicke durch einen Separator und den anderen Separator gemeinsam sichergestellt sein. Da es nicht notwendig ist, die zur Bildung eines Reaktionsgasverbindungswegs notwendige Dicke in jedem der beiden Separatoren sicherzustellen, ist es möglich, die notwendige Dicke jedes Separators um den entsprechenden Betrag zu verringern, und die Dicke einer jeden Brennstoffzelle zu verringern. Als Folge wird die Wirkung erhalten, dass es möglich ist, die Dicke einer Brennstoffzelle, welche durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, in großem Maße zu verringern.
2. Bei der Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann, da es möglich ist, die Position eines Verbindungswegs mit der Position eines Kühlflächendichtungselements in der Dickenrichtung der Brennstoffzelleneinheit zu überlappen, die Dicke der Brennstoffzelleneinheit um die Größe des Überlappungsabschnitts dünner ausgeführt sein. Als Folge wird die Wirkung erhalten, dass es möglich ist, die Dicke einer Brennstoffzelle, welche durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, in großem Maße zu verringern.
3. Bei der Brennstoffzelle gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist in der Nähe des Verbindungswegs das vorstehend genannte Kühlflächendichtungselement von einem Verbindungsweg weg verschoben, während in den verbleibenden Bereichen das Kühlflächendichtungselement in einer Reihe in der Dickenrichtung mit einem Gasdichtungselement ausgerichtet ist. Als Folge ist es möglich, die Größe einer Brennstoffzelle in der Dickenrichtung derselben in großem Maße zu reduzieren, während jede Zunahme des Flächeninhalts der Brennstoffzelle unterdrückt wird.

Claims

1. Brennstoffzelle, umfassend Brennstoffzelleneinheiten (2), wobei die Brennstoffzelleneinheiten (2) gestapelt sind und wenigstens einen Kühlmediumströmungsweg (28) zwischen sich aufweisen, und wobei der Kühlmediumströmungsweg (28) durch ein Kühlflächendichtungselement (27) abgedichtet ist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit (2) umfasst:
eine Elektrodenanordnung (3), welche durch Anordnen von Elektroden (11, 12) an beiden Seiten eines Elektrolyts (10) gebildet ist; Separatoren (4, 5; 4, 5, 33), welche die Elektrodenanordnung (3) in der Dickenrichtung derselben sandwichartig zwischen sich aufnehmen; sowie
Gasdichtungselemente (6, 7), welche an einem Außenumfangsabschnitt der Elektrodenanordnung (3) angeordnet sind und welche jeweilige Reaktionsgasdurchgänge (8, 9) abdichten, die zwischen jedem Separator (4, 5; 4, 5, 33) und der Elektrodenanordnung (3) ausgebildet sind und durch die Separatoren (4, 5; 4, 5, 33) und die Elektrodenanordnung (3) begrenzt sind, wobei
in jedem der Separatoren (4, 5; 4, 5, 33) Reaktionsgasverbindungsöffnungen (17, 18, 20, 21) und Kühlmediumverbindungsöffnungen (19, 22) vorgesehen sind, welche an der Außenseite von Elektrodenanordnungsdichtungselementen (6a, 7a) der Gasdichtungselemente vorgesehen sind, und Reaktionsgasverbindungswege (23, 25) vorgesehen sind, welche um die Elektrodenanordnungsdichtungselemente der Gasdichtungselemente in der Dickenrichtung der Separatoren (4, 5; 4, 5, 33) herum führen und Reaktionsgasverbindungsöffnungen (17, 18, 20, 21) mit Reaktionsgasdurchgängen (8, 9) verbinden; und
in wenigstens einem Separator (5 oder 4) der Separatoren (4, 5), welche einander benachbart angeordnet sind und zwischen sich einen Kühlmediumströmungsweg (28) aufweisen, ein konvexer Abschnitt (30) vorgesehen ist, der von einer Rückfläche der Reaktionsgasverbindungswege (23, 25) über wenigstens einen Bereich vorsteht, der den Reaktionsgasverbindungswegen (23, 25) entspricht, und in dem anderen Separator (4 oder 5) ein konkaver Abschnitt (32) vorgesehen ist, welcher den konvexen Abschnitt (30) aufnimmt.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Kühlflächendichtungselement (27), welches den Kühlmediumverbindungsweg (28) von den Reaktionsgasverbindungsöffnungen (17, 18, 20, 21) abdichtet, an einer Position vorgesehen ist, welche bezüglich der Reaktionsgasverbindungswege (23, 25) näher an der Reaktionsgasverbindungsöffnung liegt.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei, außer in der Umgebung des Reaktionsgasverbindungswegs (23, 25), das Kühlflächendichtungselement (27) an im Wesentlichen der gleichen Position angeordnet ist wie die Gasdichtungselemente (6, 7), betrachtet aus einer Stapelrichtung.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Kühlmediumverbindungsweg (28) in jedem Raum zwischen den einander benachbarten Brennstoffzelleneinheiten (2) gebildet ist.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten (2) einen Satz von Brennstoffzelleneinheiten bilden und der Kühlmediumverbindungsweg (28) in jedem Raum zwischen benachbarten Sätzen von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Gasdichtungselement als eine doppelt dichtende Struktur auf einer Seite eines Separators (4 oder 5) vorgesehen ist, welcher die Brennstoffzelleneinheit (2) bildet.

7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Elektrode (1 l oder 12) der Elektroden (11, 12) sich zu einer Größe erstreckt, welche im Wesentlichen die Gleiche wie jene des Elektrolyts (10) ist.

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Separatoren (4, 5) aus Metallplatten durch Pressumformen gebildet sind.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten (2) einen Satz von Brennstoffzelleneinheiten bilden und der Kühlmediumverbindungsweg (28) in jedem Raum zwischen benachbarten Sätzen von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das Gasdichtungselement als eine doppelt dichtende Struktur auf einer Seite eines Separators (4 oder 5) vorgesehen ist, welcher die Brennstoffzelleneinheit (2) bildet.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei eine Elektrode (11 oder 12) der Elektroden (11, 12) sich zu einer Größe erstreckt, welche im Wesentlichen die Gleiche wie jene des Elektrolyts (10) ist.