DE112007000072B4 - Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist, die durch Laminieren von Einzelzellenmodulen gebildet wird, von denen jedes Folgendes enthält: eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung mit einer Elektrodeneinheit, bestehend aus einer mit einer Oberfläche einer Polymerelektrolytmembran verbundenen Anodenelektrode und einer mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran verbundenen Kathodenelektrode, sowie mit einem einen Verteiler bildenden Rahmenglied, das an einem Umfangsrand der Elektrodeneinheit angeordnet und mit einer Gaszuführeinheit zum Zuführen eines Brennstoffgases bzw. eines Oxidantgases an die Anodenelektrode bzw. die Kathodenelektrode ausgestattet ist; und ein Paar von Separatoren, das die Elektrodeneinheit und die Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung von sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite zwischen sich einschließt, wobei ein elastisches Glied zwischen einem Außenrand der Elektrodeneinheit und einem Innenrand des Rahmengliedes angeordnet und das elastische Glied integral mit dem Rahmenglied verbunden ist und das elastische Glied vor dem Laminieren der Einzelzellenmodule mit seiner dem Separator gegenüberliegenden Oberfläche über die Oberfläche der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung hinausragt, wobei das elastische Glied...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, und insbesondere auf einen verbesserten Abdichtungsaufbau für eine Brennstoffzelle zwischen einer Elektrolyt-Membran-Elektroden-Anordnung und einem leitenden Separator.
  • Stand der Technik
  • Die gebräuchlichste Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist aufgebaut mit einer Polymerelektrolytmembran, die durch ein Rahmenglied mit einer Dichtung zur Gasabdichtung im peripheren Bereich getragen wird, einer Elektrolyt-Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die durch eine mit einer der Oberflächen der Elektrolytmembran verbundene Anode und eine mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran verbundene Kathode gebildet wird, einer leitenden Separatorplatte auf der Anodenseite und einer leitenden Separatorplatte auf der Kathodenseite, die die MEA zwischen sich aufnehmen, und eine Gaszuführeinheit zum Zuführen eines Brennstoffgases und eines Oxidantgases an die Anode bzw. die Kathode ist an einem peripheren Rand des Mittenbereiches in der Separatorplatte gebildet, die im Kontakt mit der MEA steht.
  • Da diese konventionelle Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle jedoch, wie 12 zeigt, einen Spalt 303 zwischen dem Innenrand eines Rahmengliedes 300 und einer Elektrode 302 aufweist, der zum Montieren des Rahmengliedes 300 und des Separators 301 erforderlich ist, tritt ein Phänomen auf, das als Querleck bezeichnet wird, bei dem ein Teil des der Brennstoffzelle zugeführten Gases durch diesen Spalt 303 ab-fließt.
  • Um dieses Phänomen zu vermeiden, wurde ein in 13 gezeigter Aufbau vorgeschlagen, bei dem eine zweite Dichtung 308 in diesem Spalt 303 angeordnet wird (Patentdokument 1), sowie ein Verfahren (Patentdokument 2) vorgeschlagen, bei dem ein Bereich eines Innenrandes einer Dichtung und ein Außenrand einer Elektrode 302 so angeordnet sind, dass sie teilweise in Kontakt miteinander kommen.
  • Darüber hinaus ist die Polymerelektrolytmembran praktisch in der Mitte der Dicke des Rahmengliedes eingesetzt, und unter Bezug auf ihr Verbindungsverfahren werden Verfahren wie thermisches Druckbonden, Klebemittel und mechanisches Klammern verwendet.
    • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Nr. JP 2004-296702 A (siehe Veröffentlichung WO 2006/040994 A1 )
    • Patentdokument 2: Japanische Offenlegungsschrift Nr. JP 2005-100970 A
  • Die Patentanmeldung DE 10 2004 228 141 A1 offenbart eine Membran-Elektroden-Einheit umfassend eine flächige Polymermembran, deren Innenbereich beidseitig jeweils mit einer Elektrodenstruktur beschichtet ist und deren wenigstens einseitig über die Elektrodenstruktur-Beschichtung hinausragender Außenbereich mit einem Dichtungskörper verbunden ist, wobei die Polymermembran mit einem Randbereich in den Dichtungskörper aus Elastomer-Material eingebettet ist und der Dichtungskörper die Elektrodenstrukturen auf beiden Seiten der Polymermembran überlappt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
  • Die vorhergehend erwähnten Verbindungsverfahren für die Polymerelektrolytmembran unter Benutzung des thermisches Druckbondens oder von Klebemittel tendieren jedoch dazu, zu einer Verschlechterung der Arbeitsweise der Polymerelektrolytmembran aufgrund der Erwärmung und der flüchtigen Komponenten des Klebemittels zu führen, und die Anwendungsbedingungen sind dementsprechend begrenzt. Darüber hinaus ist das Verbindungsverfahren des mechanischen Klammerns ein Verfahren, bei dem leicht Querlecks durch einen feinen Spalt zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem Rahmenglied auftreten.
  • Das Verfahren nach dem oben erwähnten Patendokument 1, das den Einsatz einer zweiten Dichtung 308 zum Vermeiden des Spalts 303 zwischen dem Innenrand des Rahmengliedes 300 und der Elektrode 302 erfordert, führt zu erhöhten Kosten. Darüber hinaus besteht ein anderes Problem darin, dass, wenn diese Dichtung 308 teilweise geschmolzen wird, um den Spalt zu füllen, es schwierig wird, die Dimension richtig zu steuern.
  • Das Verfahren nach dem oben genannten Patentdokument 2, in dem ein Bereich des Innenrandes einer Dichtung und der Außenrand der Elektrode 302 teilweise in Kontakt miteinander gebracht werden, bringt jedoch keine ausreichende Wirkung, oder da die Gasdiffusionselektrode hauptsächlich aus Karbonfasern besteht, die im Allgemeinen spröde sind, besteht ein anderes Problem darin, dass die Elektrode häufig beschädigt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben aufgezeigten Probleme zu vermeiden, d. h. eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu schaffen, die es ermöglicht, ein wegen des Spalts zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem Rahmenglied auftretendes Querleck-Phänomen wirksam zu vermeiden. Die Erfindung soll auch die Nutzungsraten eines Reduktantgases bzw. eines Oxidantgases verbessern und eine weitere Verbesserung der Leistung einer Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit sich bringen.
  • Mittel zur Lösung der Aufgabe
  • Um die vorstehend erwähnten Aufgaben zu lösen, ist die Erfindung mit den folgenden Merkmalen ausgestattet.
  • Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle geschaffen, die eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist, die durch Laminieren von Einzelzellenmodulen gebildet wird, von denen jedes Folgendes enthält:
    eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung mit einer Elektrodeneinheit, bestehend aus einer mit einer Oberfläche einer Polymerelektrolytmembran verbundenen Anodenelektrode und einer mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran verbundenen Kathodenelektrode, sowie mit einem einen Verteiler bildenden Rahmenglied, das an einem Umfangsrand der Elektrodeneinheit angeordnet und mit einer Gaszuführeinheit zum Zuführen eines Brennstoffgases bzw. eines Oxidantgases an die Anodenelektrode bzw. die Kathodenelektrode ausgestattet ist; und
    ein Paar von Separatoren, das die Elektrodeneinheit und die Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung von sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite zwischen sich einschließt,
    wobei ein elastisches Glied zwischen einem Außenrand der Elektrodeneinheit und einem Innenrand des Rahmengliedes angeordnet und das elastische Glied integral mit dem Rahmenglied verbunden ist und eine Länge hat, die gleich oder größer als ein Spaltmaß zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule ist, wobei das elastische Glied im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule in Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung elastisch verformt ist, so dass der Spalt zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt geschaffen, bei der das elastische Glied mit einer Mehrzahl von einen Kurzschluss verhindernden Rippen versehen ist, die mit dem Separator im Kontakt stehen, um elastisch verformt zu werden, so dass im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule die Rippen elastisch orthogonal zur Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung verformt werden.
  • Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem zweiten Aspekt geschaffen, bei der ein konkaver Abschnitt, in den elastisch verformte Bereiche der Rippen und ein elastisch verformter Bereich des elastischen Gliedes freigegeben werden, zwischen den Rippen angeordnet ist, so dass der elastisch verformte Bereich des elastischen Gliedes und die elastisch verformten Bereiche der Rippen in den konkaven Abschnitt verlängert werden.
  • Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem zweiten Aspekt geschaffen, bei der in einem Bereich in der Nähe der Gaszuführeinheit das elastische Glied eine Länge aufweist, die kleiner als das Spaltmaß zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule ist, so dass ein Gaszuführspalt zwischen dem elastischen Glied und dem Separator gebildet wird.
  • Nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren des ersten bis vierten Aspektes geschaffen, bei der das elastische Glied entweder nur auf der Anodenseite oder nur auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung angeordnet ist, und bei der ein verlängerter Bereich, der durch Verlängern des Rahmengliedes in Richtung auf die Mitte in Richtung des inneren Randes gebildet ist, um nach dem Laminieren des Separators einen Kompressionsdruck des elastischen Gliedes aufzunehmen, auf der anderen Seite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung gebildet wird.
  • Nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren des ersten bis vierten Aspektes geschaffen, bei der das elastische Glied sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung angeordnet ist, und bei der eine Position des elastischen Gliedes auf der Anodenseite und eine Position des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite zueinander versetzt sind.
  • Nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem fünften Aspekt geschaffen, bei der das elastische Glied sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung angeordnet ist, und bei der eine Position des elastischen Gliedes auf der Anodenseite und eine Position des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite zueinander versetzt sind.
  • Nach einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem sechsten Aspekt geschaffen, bei der eine Position eines Außenrandes der Anodenelektrode, die mit einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, und eine Position eines Außenrandes der Kathodenelektrode, die mit der anderen Oberfläche der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Positionen des elastischen Gliedes auf der Anodenseite und des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite gegeneinander versetzt sind.
  • Nach einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem siebten Aspekt geschaffen, bei der eine Position eines Außenrandes der Anodenelektrode, die mit einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, und eine Position eines Außenrandes der Kathodenelektrode, die mit der anderen Oberfläche der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Positionen des elastischen Gliedes auf der Anodenseite und des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite gegeneinander versetzt sind.
  • Nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren des ersten bis vierten Aspektes geschaffen, bei der das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, bei der das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und bei der im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem fünften Aspekt geschaffen, bei der das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, bei der das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und bei der im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem sechsten Aspekt geschaffen, bei der das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, bei der das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und bei der im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem siebten Aspekt geschaffen, bei der das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, bei der das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und bei der im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem achten Aspekt geschaffen, bei der das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, bei der das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und bei der im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem neunten Aspekt geschaffen, bei der das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, bei der das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und bei der im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  • Nach einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle geschaffen, die Folgendes enthält:
    eine Polymerelektrolytmembran;
    eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die die Polymerelektrolytmembran zwischen sich einschließen und mindestens eine Gasdiffusionsschicht aufweisen;
    einen ersten Separator mit einer Strömungspassage, die zum Zuführen und Abführen eines Reaktionsgases zur bzw. von der ersten Elektrode benutzt wird; einen zweiten Separator mit einer Strömungspassage, die zum Zuführen und Abführen eines Reaktionsgases zur bzw. von der zweiten Elektrode benutzt wird; und
    ein Rahmenglied mit rechteckförmigen Öffnungsabschnitten an peripheren Randbereichen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode,
    wobei ein erstes elastisches Glied zwischen einem Außenrand der ersten Elektrode und einem Innenrand des Rahmengliedes auf der Seite der ersten Elektrode gebildet ist,
    wobei mindestens ein Bereich eines Außenrandes der Gasdiffusionsschicht der ersten Elektrode so angeordnet ist, dass er über einen Außenrand der Gasdiffusionsschicht auf der gegenüberliegenden zweiten Elektrode hinausragt, und
    wobei mindestens ein Bereich eines Außenrandes der Gasdiffusionsschicht der ersten Elektrode und mindestens ein Bereich eines Innenrandes des Rahmengliedes auf der zweiten Elektrode so angeordnet sind, dass sie zueinander zeigen.
  • Nach einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem sechzehnten Aspekt geschaffen, bei der ein zweites elastisches Glied zusätzlich zwischen dem Außenrand der zweiten Elektrode und dem Innenrand des Rahmengliedes auf der Seite der ersten Elektrode angeordnet ist.
  • Wirkungen der Erfindung
  • In Übereinstimmung mit dem oben genannten Aufbau, bei dem zum Beispiel das elastische Glied der Anodenseite, das in der Draufsicht eine Rahmenform hat, und das elastische Glied der Kathodenseite, das in der Draufsicht eine Rahmenform hat, an dem Randbereich innerhalb des Rahmengliedes angeordnet sind, das die Polymerelektrolytmembran und dergleichen trägt, und jedes der elastischen Glieder in der Lage ist, eine Länge gleich oder länger als das Spaltmaß zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule zu haben, wird das elastische Glied in Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule verformt, so dass der Spalt zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist. Bei dieser Anordnung wird das elastische Glied der Anodenseite zwischen dem Rahmenglied und dem Separator der Anodenseite zum Zeitpunkt der Montage der Einzelzellen elastisch verformt, so dass das elastisch verformte elastische Glied der Anodenseite in engen Kontakt mit dem Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator der Anodenseite kommt, um den Spalt abzudichten und eine Abdichtwirkung hervorzurufen. In gleicher Weise wird auf der Kathodenseite das elastische Glied der Kathodenseite zwischen dem Rahmenglied und dem Separator der Kathodenseite zum Zeitpunkt der Montage der Einzelzellen elastisch verformt, so dass das elastisch verformte elastische Glied der Kathodenseite in engen Kontakt mit dem Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator der Kathodenseite kommt, um den Spalt abzudichten und eine Abdichtwirkung hervorzurufen.
  • Das elastische Verformen des elastischen Gliedes der Anodenseite und das elastische Verformen des elastischen Gliedes der Kathodenseite hat zur Folge, dass die Spalte sowohl zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Anodenseite als auch zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Kathodenseite jeweils in einem engen Kontaktzustand abgedichtet werden, so dass es möglich wird, wirksam ein Querleck-Phänomen einzuschränken, wie es über den Spalt zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem Rahmen auftritt, und auch einen Kurzschlussstrom des Reduktantgases entlang dem Randbereich des Rahmengliedes bzw. einen Kurzschlussstrom des Oxidantgases entlang dem Randbereich des Rahmengliedes einzuschränken, so dass es möglich wird, die Nutzraten des Reduktantgases und des Oxidantgases zu verbessern und somit die Leistung der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu verbessern.
  • Darüber hinaus werden durch Vorsehen einer Anzahl von Rippen auf der Anodenseite und Rippen auf der Kathodenseite, die im Randbereich innerhalb des Rahmengliedes angeordnet sind, das die Polymerelektrolytmembran und dergleichen in vorbestimmten Abständen trägt, das elastische Glied auf der Anodenseite bzw. die Rippen auf der Anodenseite beim Montieren der Einzelzellen elastisch verformt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Anodenseite, so dass die elastisch verformten Bereiche in der Lage sind, in den Raum einzudringen, zum Beispiel zu der angrenzenden Rippe auf der Anodenseite, so dass das elastisch verformte elastische Glied auf der Anodenseite und die elastisch verformten Rippen auf der Anodenseite praktisch ohne Unterbrechung in engen Kontakt mit dem Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Anodenseite gebracht werden, um den Spalt abzudichten und eine Dichtwirkung zu erzielen. Darüber hinaus werden auf der Kathodenseite in gleicher Weise das elastische Glied auf der Kathodenseite bzw. die Rippen auf der Kathodenseite beim Montieren der Einzelzellen elastisch verformt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Kathodenseite, so dass die elastisch verformten Bereiche in der Lage sind, in den Raum einzudringen, zum Beispiel zu der angrenzenden Rippe auf der Kathodenseite, so dass das elastisch verformte elastische Glied auf der Kathodenseite und die elastisch verformten Rippen auf der Kathodenseite praktisch ohne Unterbrechung in engen Kontakt mit dem Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Anodenseite gebracht werden, um den Spalt abzudichten und eine Dichtwirkung zu erzielen.
  • Das elastische Verformen des elastischen Gliedes der Anodenseite und das elastische Verformen der Rippe auf der Anodenseite sowie das elastische Verformen des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite und das elastische Verformen der Rippe auf der Kathodenseite hat zur Folge, dass die Spalte sowohl zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Anodenseite als auch zwischen dem Rahmenglied und dem Separator auf der Kathodenseite jeweils in einem engen Kontaktzustand abgedichtet werden, so dass es möglich wird, ein Querleck-Phänomen wirksam einzuschränken, wie es über den Spalt zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem Rahmen auftritt, und auch einen Kurzschlussstrom des Reduktantgases entlang dem Randbereich des Rahmengliedes bzw. einen Kurzschlussstrom des Oxidantgases entlang dem Randbereich des Rahmengliedes einzuschränken, so dass es möglich wird, die Nutzraten des Reduktantgases und des Oxidantgases zu verbessern und somit die Leistung der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu verbessern.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Diese und weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit der nachfolgenden Beschreibung verdeutlicht, die in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen und unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen zu sehen ist.
  • 1 ist eine schematische Strukturansicht, die schematisch einen Aufbau einer Brennstoffzelle zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Stapel für eine Brennstoffzelle ausgestattet ist;
  • 2 ist eine schematische Ansicht in auseinandergezogener Form, die den für eine Brennstoffzelle bestimmten Stapel in die in 1 dargestellte Brennstoffzelle eingesetzt zeigt;
  • 3A ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 3B ist eine schematische Querschnittansicht, die die einzelne Zelle nach dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 3C ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle für den Stapel für eine Brennstoffzelle eines Vergleichsbeispiels zeigt, bei dem kein elastisches Glied vor dem Zusammenbauvorgang der einzelnen Zelle angeordnet wurde;
  • 3D ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Vergleichsbeispiels ohne elastisches Glied nach dem Zusammenbauvorgang;
  • 3E ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang zeigt, um einen Zustand zu erläutern, wie durch einen Präzisionsfehler beim Zusammenbauen ein schmaler Spalt entstehen kann;
  • 3F ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang zeigt, um klar zu machen, dass der schmale Spalt, der aufgrund eines Präzisionsfehlers beim Zusammenbauen entstanden sein kann, entfernt werden muss;
  • 3G ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang zeigt, um klar zu machen, dass der durch einen Präzisionsfehler beim Zusammenbau verursachte schmale Spalt entfernt werden muss;
  • 4A ist eine Perspektivansicht, die die einzelne Zelle vor dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4B ist eine teilweise vergrößerte schematische Querschnittansicht, die die einzelne Zelle vor dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4C ist eine Perspektivansicht, die die einzelne Zelle nach dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4D ist eine teilweise vergrößerte schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle mit Rippen nach einem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4E ist eine Perspektivansicht, die die einzelne Zelle mit Rippen vor dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4F ist eine teilweise vergrößerte schematische Querschnittansicht, die die einzelne Zelle mit Rippen vor dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4G ist eine Perspektivansicht, die die einzelne Zelle mit Rippen nach dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4H ist eine teilweise vergrößerte schematische Querschnittansicht, die die einzelne Zelle mit Rippen nach dem Zusammenbauvorgang zeigt;
  • 4I ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht, die einen Bereich in der Nähe eines elastischen Gliedes der einzelnen Zelle zeigt;
  • 5A ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor dem Zusammenbauvorgang gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt:
  • 5B ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle nach dem Zusammenbauvorgang nach 5A;
  • 6 ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang gemäß einem modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 7A ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang gemäß einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 7B ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 7C ist eine schematische Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7B;
  • 7D ist eine schematische Querschnittansicht der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung der einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7B;
  • 7E ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 7F ist eine schematische Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7E;
  • 7G ist eine schematische Querschnittansicht der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7E;
  • 7H ist eine schematische Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 7I ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang sowie vor einem Formungsprozess eines elastischen Gliedes gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7H;
  • 7J ist eine schematische Querschnittansicht der einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang (nach dem Formungsprozess des elastischen Gliedes) gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7H;
  • 7K ist eine schematische Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 7L ist eine schematische Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung der einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7K;
  • 7M ist eine schematische Querschnittansicht der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung der einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel nach 7K;
  • 8A ist eine Draufsicht auf den Hauptkörper eines Rahmengliedes einer einzelnen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 8B ist eine Ansicht gemäß der ersten Ausführungsform von vorn auf die Oberfläche des Rahmengliedes der einzelnen Zelle auf einer Anodenseite in einem Zustand, wo eine Dichtung auf dem Hauptkörper des Rahmengliedes angeordnet ist;
  • 8C ist eine Ansicht gemäß der ersten Ausführungsform von vom auf die Oberfläche des Rahmengliedes der einzelnen Zelle auf einer Kathodenseite in einem Zustand, wo eine Dichtung auf dem Hauptkörper des Rahmengliedes angeordnet ist;
  • 8D ist eine teilweise vergrößerte Zeichnung des Rahmengliedes, die deutlich macht, dass ein thermoplastisches Kunstharz als elastisches Glied verwendet wird;
  • 8E ist eine schematische Querschnittansicht, die eine einzelne Zelle eines Brennstoffzellenstapels vor einem Zusammenbauvorgang zeigt, wenn zwei Dichtungen direkt auf einer Polymerelektrolytmembran angeordnet werden, ohne ein Rahmenglied zu verwenden, um ein Problem darzulegen, das entsteht, wenn kein Rahmenglied verwendet wird;
  • 8F ist eine schematische Querschnittansicht, die einen Anfangszustand nach dem Zusammenbau der einzelnen Zelle nach 8E darstellt;
  • 8G ist eine schematische Querschnittansicht eines Zustandes der eintritt, nachdem die zusammengebaute einzelne Zelle nach 8E über eine lange Zeit benutzt wurde;
  • 8H ist eine schematische Querschnittansicht eines Zustandes vor einem Zusammenbauvorgang der einzelnen Zelle des Brennstoffzellenstapels bei Verwendung eines Rahmengliedes;
  • 8I ist eine schematische Querschnittansicht eines Anfangszustandes und eines Zustandes nach dem Zusammenbau nach einer langen Zeit der Benutzung der einzelnen Zelle nach 8H;
  • 9A ist eine schematische Querschnittansicht eines Gasflusspassagenbereichs der einzelnen Zelle vor einem Zusammenbauvorgang gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 9B ist eine schematische Querschnittansicht eines Gasflusspassagenbereichs der einzelnen Zelle nach dem Zusammenbauvorgang gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 10A ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 10B ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der 10A;
  • 10C ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Zusammenbauvorgang gemäß noch einem weiteren modifizierten Beispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform;
  • 10D ist eine schematische Querschnittansicht einer einzelnen Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle nach dem Zusammenbauvorgang gemäß einem weiteren modifizierten Beispiel der 10C;
  • 11A ist eine erläuternde Ansicht, die Vorgänge vor einem Form-Klemm-Vorgang nach dem Formen einer einzelnen Zelle eines Stapels für eine Brennstoffzelle zeigt, wenn Positionen eines elastischen Gliedes auf einer Anodenelektrodenseite und eines elastischen Gliedes auf einer Kathodenelektrodenseite nicht versetzt sind;
  • 11B ist eine erläuternde Ansicht, die Vorgänge während des Form-Klemm-Vorgangs zeigt, wenn eine einzelne Zelle eines Stapels für eine Brennstoffzelle nach 11A geformt wird;
  • 11C ist eine erläuternde Ansicht, die einen Injektionsvorgang mit geschmolzenem Kunstharz in Formen zeigt, nachdem eine einzelne Zelle eines Stapels für eine Brennstoffzelle nach 11A geformt wurde;
  • 11D ist eine erläuternde Ansicht von Vorgängen vor einem Form-Klemm-Vorgang nach dem Formen einer einzelnen Zelle eines Stapels für eine Brennstoffzelle in dem Fall, wo Positionen eines elastischen Gliedes auf einer Anodenelektrodenseite und eines elastischen Gliedes auf einer Kathodenelektrodenseite versetzt sind;
  • 11E eine erläuternde Ansicht von Vorgängen während des Form-Klemm-Vorgangs, wenn eine einzelne Zelle eines Stapels für eine Brennstoffzelle nach 11D geformt wird;
  • 11F ist eine erläuternde Ansicht eines Injektionsvorgangs mit geschmolzenem Kunstharz in Formen nach der Formung einer einzelnen Zelle eines Stapels für eine Brennstoffzelle nach 11D;
  • 12 ist eine Querschnittansicht in auseinandergezogener Form einer Elektrolytmembran-Elektroden-Anordnung einer Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und eines Separators gemäß dem Stand der Technik und
  • 13 ist eine Querschnittansicht einer Elektrolytmembran-Elektroden-Anordnung einer Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik.
  • Bester Modus zur Ausführung der Erfindung
  • Bevor mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung begonnen wird, wird darauf hingewiesen, dass in allen beigefügten Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • Die folgende Beschreibung diskutiert Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1 ist eine schematische strukturelle Ansicht, die schematisch einen Aufbau einer Brennstoffzelle zeigt, wie sie mit einem Stapel für eine. Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Weiter ist 2 eine schematische Explosionsansicht, die einen Stapel für eine Brennstoffzelle zeigt, die eine in 1 gezeigte Brennstoffzelle 101 enthält (nachfolgend als Stapel bezeichnet).
  • Die Brennstoffzelle 101, die beispielsweise eine Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) ist, ist zum gleichzeitigen Erzeugen von elektrischem Strom, Wärme und Wasser ausgelegt, indem sie es einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidantgas wie Luft ermöglicht, miteinander elektrochemisch zu reagieren. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 101 mit einem Stapel 30 mit Laminataufbau versehen, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (oder eine einzige Zelle), von denen jede ein Paar aus Anoden- und Kathodenelektroden hat, in Serie miteinander verbunden ist; mit einer Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 31 zum Extrahieren von Wasserstoff aus einem Brennstoffgas; einem Anodenbefeuchter 32 zum Verbessern der Stromerzeugungseffizienz durch Befeuchten eines durch die Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 31 entnommenen, Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgases; mit einem Kathodenbefeuchter 33 zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Gases (Oxidantgas), und mit Pumpen 34 und 35, die für das Zuführen von Brennstoffgas bzw. sauerstoffhaltigem Gas verwendet werden. Das heißt, die Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 31, der Anodenbefeuchter 32 und die Pumpe 34 bilden eine Brennstoffzuführvorrichtung zum Zuführen des Brennstoffgases an die entsprechenden Zellen des Stapels 30, und der Kathodenbefeuchter 33 und die Pumpe 35 bilden eine Oxidantzuführvorrichtung zum Zuführen des Oxidantgases an die entsprechenden Zellen des Stapels 30. Hier können verschiedene andere Arten als Brennstoffzuführvorrichtung und Oxidantzuführvorrichtung eingesetzt werden, solange sie die Funktion haben, den Brennstoff und den Oxidanten zuzuführen, und in der vorliegenden Ausführungsform können alle Zuführvorrichtungen verwendet werden, solange sie auf bekannte Weise den Brennstoff und den Oxidanten an eine Mehrzahl von in dem Stapel 30 vorhandene Zellen so liefern, dass sie auf wünschenswerte Weise die später noch beschriebenen Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform erzielen.
  • Außerdem ist die Brennstoffzelle 101 mit einer Pumpe 36 ausgestattet, die für die Zirkulation und Zufuhr von Kühlwasser zum wirksamen Abführen der durch den Stapel 30 bei der Stromerzeugung erzeugten Wärme verwendet wird, mit einem Wärmetauscher 37, der zum Austausch der durch dieses Kühlwasser abgenommenen Wärme (beispielsweise eine Flüssigkeit, die keine Leitfähigkeit aufweist, wie reines Wasser) an eine Flüssigkeit wie Leitungswasser und einen Heißwassertank 38, der zum Speichern von wärmeausgetauschtem Leitungswasser verwendet wird, benutzt wird. Weiter ist die Brennstoffzelle 101 mit einer Betriebssteuerungsvorrichtung 40 ausgestattet, um den Betrieb zum Erzeugen von Strom durch Zuordnung der entsprechenden Komponenten zueinander zu steuern, und mit einer Elektrizitätsausgabeeinheit 41, die zum Herausführen der durch den Stapel 30 erzeugen Elektrizität verwendet wird.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist der in der Brennstoffzelle 101 installierte Stapel 30 so aufgebaut, dass eine Mehrzahl von einzelnen Zellen (Einzelzellenmodul) 20, von denen jede als eine Grundeinheitskomponente dient, laminiert angeordnet ist, und dass diese Zellen eine nach der anderen aneinander befestigt sind, indem eine vorbestimmte Last von jeder der beiden Seiten 23 über eine Kollektorplatte 21, eine Isolierplatte 22 und eine Endplatte 23 angewendet wird. Ein Stromabnahmeterminal 21a ist an jeder der Kollektorplatten 21 befestigt, und bei der Stromerzeugung wird ein elektrischer Strom, d. h. Elektrizität, von dieser Einheit abgenommen. Jede der Isolierplatten 22 isoliert die Kollektorplatte 21 und die Endplatte 23 voneinander, und in einigen Fällen sind Einlasseingänge und Auslassausgänge für Gas und Kühlwasser (nicht gezeigt) darin ausgebildet. Die entsprechenden Endplatten 23 befestigen die laminierten einzelnen Zellen 20, die Kollektorplatten 21 und die Isolierplatten 22 aneinander, so dass sie zwischen ihnen gehalten werden, indem eine vorbestimmte Last von einem nicht gezeigten Druckmittel auf sie ausgeübt wird.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird eine einzelne Zelle 20 dadurch gebildet, dass eine MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 15 zwischen einem Paar von Separatoren 5b und 5c angeordnet wird. Die MEA 15 ist so aufgebaut, dass eine Katalysatorschicht (anodenseitige Katalysatorschicht) 112, die hauptsächlich aus Karbonpulver mit einer darauf aufgebrachten Platin-Ruthenium-Legierung als Katalysator zusammengesetzt ist, auf einer Anodenoberflächenseite einer Polymerelektrolytmembran 1a gebildet ist, die selektiv Wasserstoffionen transferiert, während eine Katalysatorschicht (kathodenseitige Katalysatorschicht) 113, die hauptsächlich aus Karbonpulver mit einem darauf aufgebrachten Platinkatalysator zusammengesetzt ist, auf einer Kathodenoberflächenseite gebildet ist, dass eine Gasdiffusionsschicht 114, die sowohl Ventilationseigenschaften für ein Brennstoffgas oder ein Oxidantgas als auch Elektronenleiteigenschaften besitzt, auf der äußeren Fläche jeder der Katalysatorschichten 112 und 113 angeordnet ist. Die Polymerelektrolytmembran 1a ist im Allgemeinen als ein festes Polymermaterial mit Protonleitungseigenschaften ausgebildet, beispielsweise als Perfluorsulfonsäuremembran (Nafion-Membran, hergestellt von DuPont de Nemours and Company). In diesem Text werden in der nachfolgenden Beschreibung die anodenseitige Katalysatorschicht 112 und die Gasdiffusionsschicht 114 kombiniert als eine Anodenelektrode 1b bezeichnet und die kathodenseitige Katalysatorschicht 113 und die Gasdiffusionsschicht 114 kombiniert als eine Kathodenelektrode 1c.
  • Hier, in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen, bezeichnet der Ausdruck Elektrode eine solche, die mindestens eine GDL (Gasdiffusionsschicht) enthält.
  • Für die Separatoren 5b und 5c kann jedes leitende Material verwendet werden, solange es ein gasundurchlässiges leitendes Materials ist, und es wird beispielsweise ein Material allgemein verwendet, das durch das Schneiden eines mit Kunstharz imprägnierten Karbonmaterials in eine vorbestimmte Form gebracht wird, und ein Material, das durch Formung einer Mischung von Karbonpulver und eines Kunstharzmaterials erzielt wird. In einem Bereich jedes Separators 5b und 5c wird ein konkavförmiger Nutbereich ausgebildet, der im Kontakt mit der MEA 15 ist, und dieser Nutbereich wird in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht 114 gebracht, so dass eine Gasflusspassage gebildet wird, die für die Zufuhr von Brennstoffgas oder einem Oxidantgas an eine Elektrodenfläche und zum Hinausführen überschüssigen Gases daraus benutzt wird. Für das Grundelement der Gasdiffusionsschicht 114 wird im Allgemeinen ein Material aus Karbonfasern verwendet, und beispielsweise kann ein aus Karbonfasern hergestelltes Gewebe als ein Grundelement verwendet werden.
  • Die 3A und 3B zeigen ein vergrößertes Beispiel der einzelnen Zelle 20.
  • Die einzelne Zelle (Einzelzellenmodul) 20 besteht aus einer Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung (MEA (Membran-Elektroden-Anordnung)) 15, die eine Elektrodeneinheit 1E aufweist, die durch eine rechteckige Polymerelektrolytmembran 1a gebildet ist, welche an einer ihrer Oberflächen mit einer Anodenelektrode 1b verbunden ist, wobei eine Kathodenelektrode 1c mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 1a verbunden ist, und die Gaszuführeinheiten 2x und 2y (siehe 8A und 8C) aufweist, die für die Zufuhr von Brennstoffgas bzw. eines Oxidantgases an die Anodenelektrode 1b und die Kathodenelektrode 1c verwendet werden und die an dem peripheren Randbereich der Elektrodeneinheit 1E angeordnet sind, die weiter mit einem aus einem steifen Element hergestellten rechteckigen Rahmenglied 2 ausgestattet ist, das zum Bilden von Verteilern verwendet wird, und mit einem Paar von Separatoren 5b und 5c, die die Elektrodeneinheit 1E und die Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung 15 von der Anodenseite und der Kathodenseite zwischen sich einschließen, und diese einzelnen Zellen 20 sind so laminiert, dass ihr Aufbau eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 101 ergibt.
  • In dem oben beschriebenen Aufbau wird beispielsweise der periphere Randbereich der Polymerelektrolytmembran 1a zum Einführen der Polymerelektrolytmembran in einen Schlitz 2a des Rahmengliedes 2 eingeführt und dazwischen angeordnet, so dass die Polymerelektrolytmembran 1a und das Rahmenglied 2 mechanisch miteinander kombiniert sind. Außerdem sind die Anodenelektrode 1b und die Kathodenelektrode 1c mit den beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 1a verbunden und daran befestigt.
  • Auf diese Weise wird die MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 15 dadurch gebildet, dass die Anodenelektrode 1b und die Kathodenelektrode 1c mit den beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 1a verbunden werden, um daran befestigt zu sein, und diese MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 15 wird zwischen dem Paar von Separatoren 5b und 5c angeordnet, so dass die oben erwähnte einzelne Zelle 20 gebildet wird. Bei der einzelnen Zelle 20 ist der Separator 5b auf der Seite der Anodenelektrode gegenüber der Anodenelektrode 1b angeordnet und der Separator 5c auf der Seite der Kathodenelektrode gegenüber der Kathodenelektrode 1c.
  • Wie aus den 3C und 3D hervorgeht, ist in dem Fall, wo die einzelne Zelle nach dem Zusammenbauvorgang ohne daran befestigtes elastisches Glied ist, was nachfolgend beschrieben wird, zwischen jedem der Außenränder der Anodenelektrode 1b und dem Außenrand der Kathodenelektrode 1c und jedem der Innenränder 2b und 2c des Rahmengliedes 2 ein Spalt 6 in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 mm vorhanden. Ist dieser Spalt 6 vorhanden, dann tritt ein Phänomen auf, das als Querleck bezeichnet wird, wobei ein Teil des der Brennstoffzelle zugeführten Gases durch diesen Spalt 6 entweicht. Um diesen Spalt 6 zu verhindern, wird ein in 3A dargestelltes Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein anodenseitiges elastisches Glied 4b mit, bei Draufsicht, rechteckiger Rahmenform und einer rechteckigen Querschnittform (in einem weiteren Beispiel praktisch ein Parallelogramm, wie in 4E gezeigt) so angeordnet wird, dass es sowohl mit Innenrand 2b des Rahmengliedes 2 auf der Anodenseite als auch dem Außenrand einer Anodenelektrode 1b Kontakt hat, und beim Formen des Rahmengliedes 2 und der Anodenelektrode 1b wird das anodenseitige elastische Glied 4b zusammen mit diesen integral geformt. Außerdem wird ein kathodenseitiges elastisches Glied 4c, das bei Draufsicht eine rechteckige Rahmenform hat und im Querschnitt eine rechteckige Form (in einem weiteren Beispiel praktisch ein Parallelogramm, wie in 4E gezeigt) so angeordnet, dass es sowohl mit dem Innenrand 2c des Rahmengliedes 2 auf der Kathodenseite als auch dem Außenrand einer Kathodenelektrode 1c Kontakt hat, und beim Formen des Rahmengliedes 2 und der Kathodenelektrode 1c wird das kathodenseitige elastische Glied 4c zusammen mit diesen integral geformt. Zu diesem Zeitpunkt können die elastischen Glieder 4b und 4c im Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran 1a hergestellt und mechanisch damit verbunden werden, sie brauchen nicht damit verklebt zu werden.
  • Nach dem Laminieren der Separatoren 5b und 5c auf dem Rahmenglied 2, die, wie in 3B gezeigt, mit darin installierten elastischen Gliedern 4b und 4c darauf angeordnet werden sollen, werden die Rahmengliedmontageoberfläche 9 des Rahmengliedes 2 und die jeweils entsprechenden Separatormontage-oberflächen 10 der Separatoren 5b und 5c nahe aneinander angeordnet, und dann sind die elastischen Glieder 4b und 4c mit einem Spalt 8 zwischen den elastischen Gliedern 4b, 4c und den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Separatoren 5b, 5c angeordnet, der kleiner ist als ein Spalt 7 zwischen dem Rahmenglied 2 und den Separatoren 5b, 5c. Bei dieser Anordnung werden die elastischen Glieder 4b, 4c während des Zusammenbauvorgangs positiv mit den Separatoren 5b und 5c in Kontakt gebracht, so dass ihre elastischen Verformungen beginnen, bevor die Rahmengliedmontageoberfläche 9 des Rahmengliedes 2 und die entsprechenden Separatormontageoberflächen 10 der Separatoren 5b, 5c in ihre einander nächsten Positionen gebracht wurden (siehe 3B). Außerdem werden nach Beendigung des Zusammenbauvorgangs, das heißt, nachdem die Rahmengliedmontageoberfläche 9 des Rahmengliedes 2 und die entsprechenden Separatormontageoberflächen 10 der Separatoren 5b, 5c in ihre einander nächsten Positionen gebracht wurden, wie in 3B gezeigt, die elastischen Glieder 4b und 4c durch die Separatoren 5b und 5c in elastisch verformte Zustände gedrückt, so dass die elastischen Glieder 4b und 4c Kompressionskräften ausgesetzt sind, die von den Separatoren 5b und 5c ausgeübt werden. Zu diesem Zeitpunkt werden, was durch das Bezugszeichen 6G in 3A angezeigt wird, vor und nach dem Vorgang des Zusammenbaus der elastischen Glieder 4b und 4c diese elastischen Glieder 4b und 4c entlang der Separatormontageoberflächen 10 um ein Maß 6G gegenseitig geweitet, so dass Spalte zwischen den elastischen Gliedern 4b, 4c und Stufenabschnitten 5b-1, 5c-1 der Separatoren 5b, 5c an der Separatormontageoberfläche 10 (mit anderen Worten, Spalte, durch die ein Teil des in die Brennstoffzelle zugeführten Gases abgelassen wird) vor dem Zusammenbauvorgang eliminiert werden können, wodurch es möglich ist, das Querleckphänomen wirksam zu verhindern.
  • Wie in 3E gezeigt wird, könnte jedoch in einigen Fällen ein geringer Spalt 6H aufgrund eines Fehlers bei der Präzision des Zusammenbauens zurückbleiben. In einem solchen Fall werden, wie in den 3F und 4A bis 4B gezeigt, moderat geneigte Oberflächen 5f und 5g an den Stufenbereichen 5b-1 und 5c-1 (siehe 3A) der Separatoren 5b und 5c an der Montageoberfläche 10 vorgesehen sein, und zwar, in 3F, von außen nach innen an den Separatoren. In diesem Fall werden im Zusammenhang mit diesen geneigten Oberflächen 5f und 5g eine anodenseitige geneigte Fläche 4b-2 und eine kathodenseitige geneigte Oberfläche 4c-2 mit praktisch dem gleichen Neigungswinkel an den elastischen Gliedern 4b und 4c geformt, deren Querschnittformen in 3F dargestellt sind, die sich mit den Formen in Draufsicht um den gesamten Umfang herum erstrecken. Daraus ergibt sich, wie in den 3F bis 3G sowie in den 4A bis 4D gezeigt, dass bei der Montage der Separatoren 5b und 5c zum Laminieren auf dem Rahmenglied 2 mit den daran befestigten elastischen Gliedern 4b und 4c, bevor die Rahmengliedmontageoberfläche 9 des Rahmenglieds 2 und die entsprechenden Separatormontageoberflächen 10 der Separatoren 5b und 5c, deren einander gegenüberliegende geneigte Oberflächen praktisch parallel zueinander gehalten werden, in die einander am nächsten liegenden Positionen gebracht werden (siehe 3G und 4D), die elastischen Glieder 4b und 4c in positiven Kontakt mit den Separatoren 5b und 5c gebracht werden, so dass ihre elastischen Verformungen begonnen werden.
  • Zu dieser Zeit werden die geneigten Flächen 4b-2 und 4c-2 der elastischen Glieder 4b und 4c mit den geneigten Flächen 5f und 5g der Separatoren 5b und 5c in Kontakt gebracht, und nach Beendigung des Zusammenbauvorgangs, mit anderen Worten, nachdem die Rahmengliedmontageoberfläche 9 des Rahmengliedes 2 und die entsprechend Separatormontageoberflächen 10 der Separatoren 5b, 5c jeweils in ihre einander am nächsten liegenden Positionen gebracht werden, wie in 3G und 4D gezeigt, werden die elastischen Glieder 4b und 4c durch die Separatoren 5b und 5c in elastisch verformte Zustände gedrückt, so dass die elastischen Glieder 4b und 4c den von den Separatoren 5b und 5c ausgeübten Kompressionskräften ausgesetzt sind, während die geneigten Flächen 4b-2 und 4c-2 der elastischen Glieder 4b und 4c in festen Kontakt mit den geneigten Flächen 5f und 5g der Separatoren 5b und 5c gebracht werden, wobei die Kompressionskräfte darauf ausgeübt werden. Aus dem Grunde kann ein geringer Spalt 6H, der durch einen Fehler bei der Montagepräzision verursacht worden sein kann, eliminiert werden, so dass es möglich wird, das Auftreten eines Querleckphänomens im Innenrandbereich des Rahmengliedes zu unterdrücken und damit folglich das Querleckphänomen als Ganzes wirksam einzuschränken.
  • Im Hinblick auf die Innenränder der elastischen Glieder 4b und 4c nach dem montierenden Laminieren der Separatoren 5b und 5c auf dem Rahmenglied 2 ist die Möglichkeit einer Beschädigung der Separatoren 5b und 5c aufgrund der Elastizitätskraft der elastischen Glieder 4b und 4c gering, selbst wenn die elastischen Glieder 4b und 4c mit den Separatoren 5b und 5c in Kontakt kommen; darum kann der Spalt 6G zwischen den Separatoren 5b und 5c und den elastischen Gliedern 4b, 4c schmäler gehalten sein als im konventionellen Aufbau ohne elastische Glieder. Abhängig vom jeweiligen Fall entstehen auch dann keine Schwierigkeiten, wenn die Spaltdistanz 6G gleich Null ist, da die elastischen Glieder 4b und 4c präpariert sind.
  • Es wird außerdem ein weiteres Beispiel vorgeschlagen, bei dem, wie in 4E und 4F gezeigt, eine anodenseitige geneigte Fläche 4b-3 bzw. eine kathodenseitige geneigte Fläche 4c-3 am gesamten Umfang der elastischen Glieder 4b und 4c angebracht ist und bei dem anodenseitige Rippen 4d und kathodenseitige Rippen 4e, die zur Verhinderung eines Kurzschlusses vorstehend ausgestaltet sind, jeweils an der anodenseitigen geneigten Fläche 4b-3 bzw. der kathodenseitigen geneigten Fläche 4c-3 geformt sind. Die Rippen 4d bzw. 4e sind an den geneigten Flächen 4b-3 bzw. 4c-3 in vorbestimmten Abständen als integral angeformte Vorsprünge ausgestaltet. Wie in 4G und 4H dargestellt, werden nach dem Zusammenbau der Einzelzellen diese Rippen 4d und 4e durch die anodenseitige geneigte Fläche 4b-3 und die kathodenseitige geneigte Fläche 4c-3 sowie durch die damit praktisch parallelen geneigten Flächen 5f und 5g der Separatoren 5b und 5c komprimiert und elastisch verformt, so dass sie in engen Kontakt mit den Separatoren 5b und 5c gebracht werden, um ein Austreten von Gas zu verhindern. Wenn die entsprechenden Rippen 4d und 4e komprimiert und elastisch verformt sind, können die elastisch verformten Bereiche in einen anodenseitigen konkaven Abschnitt 4f zwischen den anodenseitig angrenzenden Rippen 4d ausweichen (Freigabebereich für komprimiertes Volumen) oder in einen kathodenseitigen konkaven Abschnitt 4g (Freigabebereich für komprimiertes Volumen) zwischen den angrenzenden kathodenseitigen Rippen 4e ausweichen. Wie aus 4I hervorgeht, sind diese konkaven Abschnitte 4f und 4g so ausgelegt, dass nach dem Zusammenbauen der Einzelzelle das anodenseitige elastische Glied 4b bzw. das kathodenseitige elastische Glied 4c durch die Separatoren 5b und 5c um beispielsweise 0,1 mm komprimiert werden kann, wobei die anodenseitige Rippe 4d bzw. die kathodenseitige Rippe 4e um beispielsweise 0,05 mm komprimiert wird. In diesem Fall wird das Gesamtvolumen des anodenseitigen konkaven Abschnitts 4f so ausgelegt, dass er praktisch dem Gesamtvolumen des gesamten Umfangs des dem rechteckförmigen Rahmen in Draufsicht angepassten anodenseitigen elastischen Gliedes 4b und dem Gesamtvolumen der Rippen 4d, die in Längsrichtung des anodenseitigen elastischen Gliedes 4b in vorbestimmten, regelmäßigen Abständen angeordnet sind, entspricht. Das heißt, bei diesem Aufbau werden nach dem Zusammenbau der einzelnen, zwischen dem Separator 5b und dem Randbereich des Rahmengliedes 2 komprimierten und elastisch verformten Zelle sowohl der elastisch verformte Bereich des anodenseitigen elastischen Gliedes 4b als auch der elastisch verformte Bereich der Rippe 4d in den anodenseitigen konkaven Abschnitt 4f eingeführt, so dass der anodenseitige konkave Abschnitt 4f mit den elastisch verformten Bereichen praktisch ohne Spalt ausgefüllt und abgedichtet ist. Auf die gleiche Weise ist das Gesamtvolumen des kathodenseitigen konkaven Abschnitts 4g so ausgelegt, dass es praktisch gleich der Gesamtsumme des Volumens des Gesamtumfangs des dem rechteckigen Rahmen entsprechend geformten kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c in Draufsicht und dem Gesamtvolumen der Rippen 4e, die in Längsrichtung des kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c an vorbestimmten regelmäßigen Abständen angeordnet sind, entspricht. Das bedeutet, dass bei diesem Aufbau, wenn die zwischen dem Separator 5c und dem Randbereich des Rahmengliedes 2 komprimierte und elastisch verformte einzelne Zelle zusammengebaut wird, sowohl der elastisch verformte Bereich des kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c als auch der elastisch verformte Bereich der Rippe 4e in den kathodenseitigen konkaven Abschnitt 4g eingeführt wird, so dass der kathodenseitige konkave Abschnitt 4g mit elastisch verformten Bereichen praktisch ohne Spalt und abgedichtet ausgefüllt ist. Bei dieser Anordnung sind, nachdem die Separatoren montiert wurden, in den konkaven Abschnitten 4f und 4g keine Spalte vorhanden, was eine Gasleckage wirksam verhindern kann.
  • In diesem Fall sind die Bodenfläche des anodenseitigen konkaven Abschnitts 4f bzw. die Bodenfläche des kathodenseitigen konkaven Abschnitts 4g in den oben angegebene anodenseitigen geneigte Fläche 4b-3 und der kathodenseitige geneigte Fläche 4c-3 der elastischen Glieder 4b und 4c ausgebildet.
  • Wie in 8A bis 8C gezeigt ist, ist mindestens ein Paar Verteileröffnungen 15b für Brennstoffgas, Verteileröffnungen 15a für Oxidantgas und Verteileröffnungen 15c für Kühlwasser im Rahmenglied 2 ausgebildet, und eine Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen 16, die zum Einführen von Bolzen (nicht gezeigt) benutzt werden, um die einzelnen Zellen 20 gegenseitig zu befestigen, sind darin ebenfalls ausgebildet. Durch das Paar von Verteileröffnungen 15a für Oxidantgas im Rahmenglied 2 wird ein Oxidantgas an die Seite der Kathodenelektrode 1c zugeführt und daraus abgeführt. Ein Brennstoffgas wird an die Seite der Anodenelektrode 1b durch das Paar Verteileröffnungen 15b zugeführt und abgeführt. Außerdem wird Kühlwasser dem Paar von Verteileröffnungen 15c zwischen den rückwärtigen Flächen der Separatoren 5b und 5c der benachbarten, einander gegenüberliegenden einzelnen Zellen 20 zugeführt und dadurch abgeführt.
  • Wie aus 8C hervorgeht, ist auf einer Rahmengliedmontageoberfläche 9, die der Fläche entspricht, auf der die Kathodenelektrode 1c im Rahmenglied 2 ausgebildet ist, eine Dichtung 3c ausgebildet, die die Verteileröffnungen 15a für Oxidantgas sowie Oxidantgasflusspassagen 2y (Gasflusspassagen) enthält und die die gesamte Fläche so umgibt, dass es dem Oxidantgas möglich ist, auf die Kathodenelektrode 1c zu strömen, um den Verteiler für das Oxidantgas zu bilden; diese Dichtung ist so geformt, dass sie einen halbkreisförmig geformten konvexen Bereich in ihrem Querschnitt mit einer rechteckigen Rahmenform in der Draufsicht bildet. Außerdem ist, wie in 8B dargestellt, auf einer Rahmengliedmontageoberfläche 9, die der Fläche entspricht, auf der die Anodenelektrode 1b im Rahmenglied 2 ausgebildet ist, eine Dichtung 3b ausgebildet, die die Verteileröffnungen 15b für Brennstoffgas sowie Brennstoffgasflusspassagen 2x (Gasflusspassagen) enthält und die die gesamte Fläche so umgibt, das es dem Brennstoffgas möglich ist, auf die Anodenelektrode 1b zu strömen, um den Verteiler für Brennstoffgas zu bilden; diese Dichtung ist auf eine Weise geformt, dass sie einen halbkreisförmigen konvexen Abschnitt in ihrem Querschnitt aufweist, wobei in der Draufsicht die Form einem rechteckigen Rahmen entspricht. Außerdem sind die Dichtungen 3b und 3c so geformt, dass sie von den Flächen (Verteilern) getrennt sind, die den entsprechenden Gasen den Durchfluss ermöglichen und nur die Verteileröffnung 15c für Kühlwasser umgeben können. Im zusammengebauten Zustand der einzelnen Zellen werden darum die Dichtungen 3b bzw. 3c in die konkaven Abschnitte 5d und 5e an der Separatormontagefläche 10 der Separatoren 5b und 5c eingeführt und damit in Kontakt gebracht, um elastisch verformt zu werden, so dass Leckagen von Brennstoffgas und Oxidantgas sowie des Kühlwassers unabhängig voneinander auf der Kathodenseite bzw. der Anodenseite verhindert werden (siehe 4D, 4H usw.).
  • Außerdem ist auf der Fläche der Kathodenelektrode 1c der MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 15, wie in 9A und 9B gezeigt, eine Gasflusspassage 19 von der Verteileröffnung 15a für Oxidantgas an die Seite der Kathodenelektrode 1c auf eine Weise ausgeführt, dass ein Gasflusspassagenbereich 4c-1, der ein Bereich des rahmenförmigen kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c ist und dem Gasflusspassagenbereich 2y des Rahmengliedes 2 entspricht, so niedrig ausgeführt, dass er das gleiche Niveau hat wie die Dicke des Rahmenglieds 2, und für einen Gasflusspassagenbereich des kathodenseitigen Separators 5c, der dem Gasflusspassagenbereich 4c-1 des kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c gegenüberliegt, ist ein der Gasflusspassage zugeordneter konkaver Abschnitt 5c-1 ausgebildet (ein konkaver Abschnitt, der einem Abschnitt in der Form eines Parallelogramms mit abgeschrägten Linien entspricht, der in 8A mit dem Bezugszeichen 5c-1 bezeichnet ist; dieser Bereich mit den abgeschrägten Linien bildet tatsächlich einen Raum). Folglich ist im zusammengebauten Zustand der einzelnen Zelle ein Raum zwischen dem Gasflusspassagenbereich 4c-1 des kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c und dem kathodenseitigen Separator 5c positiv ausgebildet, der für das Zuführen von Gas benutzt wird. Hier ist in vorteilhafter Weise keine kathodenseitige Rippe 4e in der Nähe des Gasflusspassagenbereichs 4c-1 des kathodenseitigen elastischen Gliedes 4c angeordnet, um eine Gasflusspassage zu gewährleisten.
  • Außerdem ist die gleiche Struktur für die Anodenseite ausgebildet; auf der Fläche der Anodenelektrode 1b der MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 15 ist eine Gasflusspassage 19 von der Verteileröffnung 15b für Brennstoffgas zur Seite der Anodenelektrode 1b in einer Weise ausgeführt, dass ein Gasflusspassagenbereich 4b-1 (in 8B der dem Gasflusspassagenbereich 4c-1 der 8A und 8C ähnliche Bereich), der ein Bereich des rahmenförmigen, anodenseitigen elastischen Gliedes 4b ist und der dem Gasflusspassagenbereich 2x des Rahmengliedes 2 entspricht, niedriger ausgeführt ist, so dass er das gleiche Niveau wie die Dicke des Rahmengliedes 2 hat, und in einem Gasflusspassagenbereich des anodenseitigen Separators 5b, der dem Gasflusspassagenbereich 4b-1 des anodenseitigen elastischen Gliedes 4b gegenüberliegt, ist ein konkaver Abschnitt 5b-1 für die Gasflusspassage (nicht gezeigt, der gleiche wie der konkave Abschnitt 5c-1 der Gasflusspassage nach 8A) ausgebildet. Folglich ist im zusammengebauten Zustand einer einzelnen Zelle ein Raum zwischen dem Gasflusspassagenbereich 4b-1 des anodenseitigen elastischen Gliedes 4b und dem kathodenseitigen Separator 5b positiv geformt, der für das Zuführen von Gas verwendet wird. Es ist von Vorteil, wenn hier keine anodenseitige Rippe 4d in der Nähe des Gasflusspassagenbereichs 4b-1 des kathodenseitigen elastischen Gliedes 4b angeordnet ist, um eine Gasflusspassage zu gewährleisten.
  • Als Material für die elastischen Glieder 4b, 4c und die Rippen 4d, 4e wird beispielsweise vorzugsweise ein thermoplastisches Kunstharzelastomer verwendet. Das wird wie folgt begründet: Wird ein thermoplastisches Kunstharz für die elastischen Glieder 4b und 4c verwendet, würden die Elektroden 1b und 1c aufgrund seines hohen Fließvermögens (siehe Pfeil 66) an der Innenseite mit dem thermoplastischen Kunstharz imprägniert, was zu einer Verkleinerung der Wirkfläche der entsprechenden Abschnitte der Elektroden 1b und 1c führen könnte (siehe 8D). Wenn dagegen wie in der vorliegenden Ausführungsform ein thermoplastisches Kunstharz für die elastischen Glieder 4b und 4c verwendet wird, wo beim Formen das fließende, geschmolzene Kunstharz in Kontakt mit den Elektroden 1b und 1c gebracht wird und schnell gekühlt und fest wird, so das die Innenseiten der Elektroden 1b und 1c nicht mit dem Harz imprägniert werden, entstehen also keine ungünstigen Auswirkungen auf die Wirkfläche des entsprechenden Bereichs jeder der Elektroden 1b und 1c, und es wird möglich, eine präzise Abdichtung zu formen (mit anderen Worten, eine Abdichtung mit einer gewünschten Form, die eine sehr gute Übermittlereigenschaft besitzt), die der Form der an sie angrenzenden Bereiche zwischen dem Rahmenglied 2 und den Elektroden 1b und 1c durch Nutzung des Formungsdrucks angepasst wird.
  • Beispiele für spezifische Materialien für die elastischen Glieder, Rippen und Dichtungen sind unter anderem M3800, bei dem es sich um ein Produkt von MILASTOMER (eingetragene Marke) von großer Härte handelt, das von Mitsui Chemicals, Inc. hergestellt wird und eine Art von thermoplastischem Kunstharzelastomer auf Olefinbasis ist. Hinsichtlich der elastischen Glieder und Rippen sind die Bedingungen, die ihnen die entsprechenden elastischen Verformungen ermöglichen, durch die Elastizität A50 bis A90 oder D37 bis D60 der JIS K 6253 (ISO 7619) gegeben.
  • Zu den spezifischen Beispielen des Materials für das Rahmenglied 2 gehören R-250G oder R-350G der Firma Prime Polymer Co., Ltd, und für die Separatoren 5b und 5c kann ein Metallmaterial verwendet werden, das durch die Oberflächenbehandlung eines Metalls wie rostfreier Stahl (SUS) mit einer Goldauflage oder eines Metallmaterials wie Titan mit einer Goldauflage erzielt wird. Spezifische Beispiele von Materialien für die Separatoren 5b und 5c umfassen eine kunstharzimprägnierte Graphitplatte (glasartiges Karbon, hergestellt von Tokai Carbon Co., Ltd) mit Außenabmessungen von 120 mm × 120 mm und einer Dicke von 3,0 mm. Hier wird vorzugsweise, insbesondere im Hinblick auf das in Automobilen zu verwendende Material, ein Metallseparator oder dergleichen verwendet, der aus einem oberflächenbehandeltem rostfreien Stahl (SUS) gebildet ist.
  • Hinsichtlich der durch das Vorhandensein des Rahmengliedes 2 erreichten Wirkungen ist zu sagen, dass zusätzlich dazu, dass die Bildung der Verteiler bewirkt wird, das Handhaben der Teile erleichtert wird und dass der Kontakt der Separatoren 5b und 5c durch das Rahmenglied 2 gestoppt wird; so kann der Kontaktdruck zwischen den Separatoren 5b, 5c und den Elektroden 1b, 1c in optimaler Weise aufrechterhalten werden. Wenn beispielsweise, wie in 8E gezeigt, die Dichtungen 3b und 3c direkt auf der Polymerelektrolytmembran 1a ohne die Verwendung des Rahmengliedes 2 angeordnet werden, sind, da die Elektroden 1b und 1c weich sind, die Dichtungen 3b und 3c nach langer Nutzungsdauer zusammengedrückt, wie aus 8F (ursprünglicher Zustand) und 8G (nach langer Benutzung) zu sehen ist, so dass der Spaltabstand zwischen den Separatoren 5b und 5c allmählich verringert wird, was bewirkt, dass die Separatoren 5b und 5c mit einer höheren Kontaktkraft mit den Elektroden 1b und 1c (siehe Pfeil 67 in der Zeichnung) in Kontakt kommen. Dann wird, wie in 8H und 8I dargestellt, der zunehmende Kontakt der Separatoren 5b und 5c aufgrund des Rahmengliedes 2 beendet, so dass der Spaltabstand 68 zwischen den Separatoren 5b und 5c gegenüber der langzeitig wirkenden Kompressionslast stabil gehalten werden kann.
  • Wenn die Separatoren 5b und 5c beim Zusammenbauen der einzelnen Zellen 20 auf einer Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung 15 gestapelt werden, werden die elastischen Glieder 4b und 4c bzw. die Rippen 4d und 4e durch die Separatoren 5b und 5c komprimiert, wie in den 3B, 4G und 4H dargestellt. Daraus ergibt sich, dass, da die Polymerelektrolytmembran 1a entlang der Richtung der Dicke der Polymerelektrolytmembran 1a durch die Kompressionskräfte der elastischen Glieder 4b und 4c gedrückt wird, der Spalt 12 (siehe 3A) zwischen den elastischen Gliedern 4b, 4c und der Polymerelektrolytmembran 1a durch diese Druckkraft und die durch die elastischen Glieder 4b und 4c ausgeübten elastischen Kräfte sicher abgedichtet ist, selbst dann, wenn die Polymerelektrolytmembran 1a und die elastischen Glieder 4b und 4c nicht miteinander verklebt sind. Außerdem kann durch die Nutzung der elastischen Verformungen der elastischen Glieder 4b, 4c und der Rippen 4d, 4e zwischen den Separatoren 5b, 5c und dem Rahmenglied 2 ein Spalt 6 (siehe 3D) zwischen jedem der Außenränder der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c und jedem der Innenränder 2b, 2c des Rahmengliedes 2 deutlich kleiner gemacht werden im Vergleich zu jenen des konventionellen Beispiels, so dass der den Spalt 6 ausmachende Raum stark verringert oder der Spalt 6 vollkommen zum Verschwinden gebracht werden kann.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform weist das anodenseitige elastische Glied 4b in der Draufsicht eine Rahmenform auf und das kathodenseitige elastische Glied 4c in der Draufsicht eine Rahmenform auf sowie eine Anzahl von anodenseitigen Rippen 4d und kathodenseitigen Rippen 4e, die in vorbestimmten Abständen und jeweils am Randbereich im Rahmen 2 angeordnet sind, der die Polymerelektrolytmembran 1a oder dergleichen hält; nach dem Zusammenbauen der einzelnen Zellen 20 werden darum die anodenseitigen elastischen Glieder 4b bzw. jede der anodenseitigen Rippen 4b elastisch in eine Richtung verformt, die zur Richtung der Dicke der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung 15 orthogonal verläuft, wobei die elastisch verformten Bereiche jeweils in den anodenseitigen konkaven Abschnitt (Kompressionsvolumen-Freigabeabschnitt) 4f eingeführt werden, der als ein Raum zwischen den nebeneinander angeordneten anodenseitigen Rippen 4d ausgebildet ist, so dass das elastisch verformte anodenseitige elastische Glied 4b und die elastisch verformten anodenseitigen Rippen 4d praktisch durchgehend in engen Kontakt mit dem Spalt zwischen dem Rahmenglied 2 und dem anodenseitigen Separator 5b gebracht werden, um den Spalt abzudichten, wodurch es möglich ist, eine Abdichtungswirkung zu erzielen. Außerdem werden auf der Kathodenseite ebenfalls beim Zusammenbauen der einzelnen Zellen 20 das kathodenseitige elastische Glied 4c bzw. jede der kathodenseitigen Rippen 4c zwischen dem Rahmenglied 2 und dem kathodenseitigen Separator 5c elastisch verformt, wobei die elastisch verformten Bereiche in den jeweils entsprechenden kathodenseitigen konkaven Abschnitt (Kompressionsvolumen-Freigabeabschnitt) 4g eingeführt werden, der als ein Raum zwischen den nebeneinander angeordneten kathodenseitigen Rippen 4d ausgebildet ist, so dass das elastisch verformte kathodenseitige elastische Glied 4c und die elastisch verformten kathodenseitigen Rippen 4e praktisch durchgehend in engen Kontakt mit dem Spalt zwischen dem Rahmenglied 2 und dem kathodenseitigen Separator 5c gebracht werden, um den Spalt abzudichten, wodurch es möglich ist, eine Abdichtungswirkung zu erzielen.
  • Als Ergebnis werden das Rahmenglied 2 und der anodenseitige Separator 5b sowie der kathodenseitige Separator 5c jeweils in engen Kontakt gebracht und gegeneinander durch die elastische Verformung des anodenseitigen elastischen Gliedes 4b und die elastisch verformten anodenseitigen Rippen 4d sowie das elastisch verformte kathodenseitige elastische Glied 4c und die elastisch verformten kathodenseitigen Rippen 4e abgedichtet, so dass es möglich wird, das Phänomen einer Querleckage, wie es mit dem Spalt 12 (siehe 3A) zwischen der Polymerelektrolytmembran 1a und dem Rahmenglied 2 auftritt (ein Phänomen, bei dem eine Querleckage durch einen Pfeil 18 in 8A angedeutet ist, tritt bei dem konventionellen Beispiel auf), wirksam einzuschränken und ebenfalls einen Kurzschluss verursachenden Fluss eines Reduktantgases 11a entlang des Randbereiches des Rahmengliedes 2 sowie einen Kurzschluss verursachenden Fluss eines Oxidantgases 11b entlang des Randbereiches des Rahmengliedes 2 (siehe 3A) zu verhindern; auf die Weise wird es möglich, die Nutzungsraten des Reduktantgases 11a bzw. des Oxidantgases 11b weiter zu verbessern und folglich die Leistung einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu verbessern.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 5A ist eine schematische Querschnittansicht, die in schematisierter Weise einen Aufbau von einzelnen Zellen einer Brennstoffzelle zeigt, die für einen Stapel für eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind.
  • In der zweiten Ausführungsform ist die genannte einzelne Zelle der ersten Ausführungsform so aufgebaut, dass die geneigte Fläche 5f des anodenseitigen Separators 5b und die geneigte Fläche 5g des kathodenseitigen Separators 5c nicht zu einer, in Draufsicht, vollständig den Umfang umgebenden Rahmenform ausgebildet ist, sondern als ein Teilbereich ausgebildet ist. Außerdem sind in der ersten Ausführungsform die anodenseitige geneigte Fläche und die kathodenseitige geneigte Fläche des elastischen Gliedes 4b und 4c als die Bodenfläche des anodenseitigen konkaven Abschnitts 4f und die Bodenfläche des kathodenseitigen konkaven Abschnitts 4g ausgebildet; diese Struktur ist jedoch keine Beschränkung, und diese Flächen können als die Fläche der anodenseitigen Rippe 4d und die Fläche der kathodenseitigen Rippe 4e ausgebildet sein. Weiter können, da keine Beschränkung auf die Struktur gegeben ist, bei der die Bodenfläche des anodenseitigen konkaven Abschnitts 4f und die Bodenfläche der kathodenseitigen konkaven Abschnitts 4g oder die Fläche der anodenseitigen Rippe 4d und die Fläche der kathodenseitigen Rippe 4e praktisch parallel zur geneigten Fläche 5f und 5g der Separatoren 5b und 5c verlaufend ausgebildet sind, die geneigten Winkel geringfügig unterschiedlich voneinander sein, solange, kurz gesagt, die oben genannte enge Abdichtungskontaktwirkung nach dem Zusammenbau der einzelnen Zellen vorhanden ist, die durch die elastischen Verformungen der anodenseitigen Rippe 4d und der kathodenseitigen Rippe 4e erzielt wird.
  • Mit dieser Anordnung wird beim Stapeln der Separatoren 5b und 5c auf die Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung 15 ein Vorgang zur engen Kontaktgabe und Abdichtung sicher durchgeführt, und zwar nicht nur auf die oberen Flächen der elastischen Glieder 4b und 4c, sondern auch auf die Seiten der elastischen Glieder 4b und 4c mit den geneigten Flächen, indem die anodenseitige Rippe 4d und kathodenseitige Rippe 4e so benutzt wird, dass es möglich ist, die Abblockeigenschaften für das Reduktantgas 11a und das Oxidantgas 11b weiter zu verbessern, und es auch ermöglicht wird, dass diese geneigten Flächen eine Leitfunktion zum Erleichtern des Vorgangs der relativen Positionierung zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung 15 und den Separatoren 5b, 5c während des Laminierens und Zusammenbauens der einzelnen Zellen einnehmen. Damit wird es möglich, die Montageeigenschaften zu verbessern.
  • (Modifizierte Beispiele)
  • Die vorliegende Erfindung soll durch die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht eingeschränkt sein und es können verschiedene modifizierte Formen ausgeführt werden.
  • Beispielsweise kann in der Polymerelektrolytmembran 1a jeder der Ausführungsformen zusätzlich zu der integral geformten Struktur durch Verwendung der elastischen Glieder 4b und 4c eine weitere, verstärkende Membran 13 (siehe 5A und 5B) angeordnet sein, um die Anodenelektrode 1b und die Kathodenelektrode 1c zu schützen, und es können die gleichen Wirkungen erzielt werden.
  • Es kann außerdem ein weiteres modifiziertes Beispiel angewendet werden, bei dem in jeder der Ausführungsformen an Bereichen, wo das anodenseitige elastische Glied 4b und das kathodenseitige elastische Glied 4c angeordnet ist, keine Dichtungen 3b und 3c an den äußeren Umfangsbereichen erforderlich sind, weil der gleiche Abdichtungseffekt, wie er durch die Dichtungen 3b und 3c gegenüber Gasen erreicht wird, durch den elastischen Verformungseffekt der elastischen Glieder erzielt wird, das Reduktantgas 11a bzw. das Oxidantgas 11b also abgedichtet werden.
  • Es kann noch ein weiter modifiziertes Ausführungsbeispiel verwendet werden, bei der in jeder der Ausführungsformen, wie in 6 gezeigt, ein elastisches Glied 4h, das dem elastischen Glied 4b oder 4c gleicht, nur an einer der Seiten der anodenseitigen Rahmenmontageoberfläche 9 und der kathodenseitigen Rahmenmontageoberfläche 9 des Rahmengliedes 2 teilweise oder entlang des gesamten Umfangs angeordnet wird und an der anderen der anodenseitigen Rahmenmontageoberfläche 9 und der kathodenseitigen Rahmenmontageoberfläche 9 ein durch Verlängerung des Rahmengliedes 2 zum Zentrum hin in Richtung des Innenrandes verlängerter Bereich 2h so angeordnet wird, dass er einen Kompressionsdruck vom elastischen Glied 4h empfängt, wenn die Separatoren 5b und 5c gestapelt werden. Auf diese Weise kann die entsprechende Wirkung auch bei Verwendung nur eines elastischen Gliedes 4h erreicht werden, und da nur die Anordnung des elastischen Gliedes 4h auf einer der Seiten der anodenseitigen Rahmenmontageoberfläche 9 und der kathodenseitigen Rahmenmontageoberfläche 9 der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung erforderlich ist, werden die Fertigungsvorgänge erleichtert. In diesem Fall wird, wie in 6 gezeigt, zum Bilden des verlängerten Bereiches 2h die Position des äußeren Randes der Kathodenelektrode 1c gegenüber der Position des äußeren Randes der Anodenelektrode 1b auf der inneren Seite angeordnet.
  • Zusätzlich ist in diesem weiter modifizierten Ausführungsbeispiel, dem anderen modifizierten Beispiel und den Ausführungsformen (ausgenommen die in 5A und 5B gezeigten) keine verstärkende Membran 13 erforderlich.
  • Es kann noch ein weiteres modifiziertes Beispiel verwendet werden, bei dem in jeder Ausführung, wie in 7A gezeigt, durch den gegenseitigen Versatz der Positionen der elastischen Glieder 4b und 4c an der oben genannten einen Seite hinsichtlich der Rahmengliedmontageoberfläche 9 auf der Anodenseite und der Rahmengliedmontageoberfläche 9 auf der Kathodenseite des Rahmengliedes 2 der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung der Formungsdruck zur Zeit des integralen Formungsvorgangs leicht aufgenommen werden kann, so dass die Widerstandskraft gegen Verformung jedes der elastischen Glieder 4b und 4c gegen einen Formungsdruck während des Formungsvorgangs verkleinert werden kann; auf die Weise ist es möglich, den Freiheitsgrad bei der Konstruktion der einzelnen Zelle 20 zu vergrößern. Auch in diesem Fall können die elastischen Glieder 4b und 4c teilweise oder vollständig um den Umfang herum angeordnet werden. In diesem Fall ist auch, wie in 7A gezeigt, für das Bilden des verlängerten Bereichs 2h die Position des äußeren Randes der Kathodenelektrode 1c auf der inneren Seite der Position des äußeren Randes der Anodenelektrode 1b angeordnet.
  • Es wird ein spezifisches Beispiel vorgeschlagen, bei dem, wie in 7A gezeigt, zum Versatz der Positionen der elastischen Glieder 4b und 4c durch Anordnen der Position des äußeren Randes der Kathodenelektrode 1c auf der inneren Seite der Position des äußeren Randes der Anodenelektrode 1b die Abmessungen der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektroden 1c voneinander abweichen können, was in 7B bis 7D dargestellt ist. Beispielsweise kann eine quadratförmige Kathodenelektrode 1c größer ausgelegt sein als eine quadratförmige Anodenelektrode 1b.
  • Jede der Strukturen nach 7B bis 7D bietet ein typisches Grundbeispiel für ein weiteres modifiziertes Beispiel, das in 7A dargestellt ist und eine Form hat, bei der die elastischen Glieder 4b und 4c einfach jeweils um den gesamten Umfang des Rahmengliedes 2 herum angeordnet sind, was einen vereinfachten Aufbau ergibt.
  • Weiter wird ein weiteres spezifisches Beispiel vorgeschlagen, bei dem, wie in 7A gezeigt, zum Anordnen der Position des äußeren Randes der Kathodenelektrode 1c an der inneren Seite des äußeren Randes der Anodenelektrode 1b, ihre Anordnungspositionen unterschiedlich sind, damit die Positionen der elastischen Glieder 4b und 4c gegeneinander versetzt sind, obwohl die Abmessungen von Anodenelektrode 1b und Kathodenelektrode 1c gleich sind, wie in 7E bis 7G gezeigt. Beispielsweise können eine quadratisch geformte Kathodenelektrode 1c und eine quadratisch geformte Anodenelektrode 1b mit den gleichen Abmessungen in ihren Positionen in diagonaler Richtung (7F) versetzt werden.
  • Gemäß den Strukturen der 7E bis 7G werden die folgenden Wirkungen erzielt. Im Gegensatz zu den Strukturen der 7B bis 7D, bei denen die Abmessungen der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c unterschiedlich sind, erfordern die Strukturen der 7E bis 7G lediglich beispielsweise eine Druckform, so dass der Fertigungsvorgang für die Elektroden vereinfacht werden kann, wenn die Umfangslängen der elastischen Glieder 4b und 4c gleich sind, was eine Verbesserung der Formbarkeit ermöglicht.
  • Es wird außerdem ein weiteres spezifisches Beispiel vorgeschlagen, bei dem zum Versetzen der Position des elastischen Gliedes 4c nach außerhalb der Kathodenelektrode 1c und der Position des elastischen Gliedes 4b nach außerhalb der Anodenelektrode 1b, gezeigt in 7A, die Abmessungen von Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c unterschiedlich sein können, wie in 7H bis 7J gezeigt, wobei die jeweiligen Formen keine quadratischen Formen sind, sondern Formen mit Flanschbereichen, die sich teilweise abwechselnd an äußeren Rändern der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c erstrecken, wobei die Anordnungspositionen der elastischen Glieder 4b und 4c, die sich außen an der entsprechenden Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c befinden, nicht zu einer quadratischen Form, sondern zu einer Zickzack-Form entlang dem äußeren Rand jeder der Elektroden 1b und 1c ausgebildet sein können. Beispielsweise kann die Kathodenelektrode 1c größer ausgelegt sein als die Anodenelektrode 1b, wobei das elastische Glied 4c, das entlang dem äußeren Rand der Kathodenelektrode 1c in Zickzack-Form angeordnet ist, und das elastische Glied 4b, das entlang dem äußeren Rand der Anodenelektrode 1b in Zickzack-Form angeordnet ist, sich mit vorbestimmten Abständen kreuzen können, um abwechselnd auf der inneren und der äußeren Seite angeordnet zu sein. Hier, 7I, ist eine schematische Querschnittansicht zu sehen, die eine einzelne Zelle des Stapels für eine Brennstoffzelle vor einem Montagevorgang sowie vor einem Formungsvorgang eines elastischen Gliedes zeigt, und in dieser Zeichnung sind ein Spalt 6i, der zum Formen des elastischen Gliedes 4b verwendet wird, und ein Spalt 6j, der zum Formen des elastischen Gliedes verwendet wird, kontinuierlich in einer Rahmenform ausgebildet.
  • 7J ist eine schematische Querschnittansicht eines Zustandes, bei dem die elastischen Glieder 4b bzw. 4c in den rahmenförmigen Spalten 6i und 6j gebildet und geformt werden.
  • Gemäß den in den 7H bis 7J gezeigten Strukturen können die Zentren der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c im Vergleich zu den Beispielen der 7E bis 7G koinzident angeordnet sein, so dass das Produkt als Ganzes gut ausbalanciert ist.
  • Es wird noch ein weiteres spezifisches Beispiel vorgeschlagen, bei dem zum Versetzen der Position des elastischen Gliedes 4c nach außerhalb der Kathodenelektrode 1c und der Position des elastischen Gliedes 4b nach außerhalb der Anodenelektrode 1b, wie in 7A gezeigt, die Abmessungen der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c voneinander abweichen können, wie in 7K bis 7M gezeigt, wobei die Kathodenelektrode 1c deutlich gegenüber der längeren Seite (oder der kürzeren Seite) der Anodenelektrode 1b vorstehen darf.
  • Wie oben auf unterschiedliche Weise beschrieben, kann der Formungsdruck zur Zeit des integralen Formungsvorgangs leicht aufgenommen werden, indem die Position des elastischen Gliedes 4b auf der Seite der Anodenelektrode 1b und die Position des elastischen Gliedes 4c auf der Seite der Kathodenelektrode 1c versetzt wird, so dass die Kraft des Verformungswiderstands der elastischen Glieder 4b und 4c gegen den Formungsdruck während des Formungsvorgangs verringert und die Verformung der Polymerelektrolytmembran 1a verhindert werden kann; die nachfolgende Beschreibung diskutiert diese Wirkungen im Detail.
  • In 11A ist gezeigt, dass, wenn kein Versetzen zwischen den Positionen des elastischen Gliedes 4b auf der Seite der Anodenelektrode und dem elastischen Glied 4c auf der Seite der Kathodenelektrode vorgenommen wird, eine Anodenelektrode 1b in eine Form 61b auf der Seite der Anodenelektrode angeordnet wird und eine Kathodenelektrode 1c in einer Form 61c auf der Seite der Kathodenelektrode, und die Form 61b auf der Seite der Anodenelektrode und die Form 61c auf der Seite der Kathodenelektrode wenden, wie in 11B gezeigt, zusammengeklammert, wobei ein Rahmenglied 2 und eine Polymerelektrolytmembran 1a zwischen der Form 61b auf der Seite der Anodenelektrode und der Form 61c auf der Seite der Kathodenelektrode in Sandwichform angeordnet sind. Als Nächstes wird (11C), wenn geschmolzenes Kunstharz in die derart miteinander verklammerten Formen 61b auf der Seite der Anodenelektrode und 61c auf der Seite der Kathodenelektrode injiziert wird, der Druck des geschmolzenen Kunstharzes nur von der Polymerelektrolytmembran 1a in einem Hohlraum 61g aufgenommen, wo die elastischen Glieder 4b und 4c einander gegenüber angeordnet sind. In diesem Fall kann die Polymerelektrolytmembran 1a, da sie keine ausreichende Festigkeit besitzt, durch den Druck des geschmolzenen Kunstharzes deformiert werden, was durch das Bezugszeichen 62 in 11C angedeutet ist.
  • In 11D ist gezeigt, dass im Gegensatz dazu dann, wenn ein Versetzen zwischen den Positionen des elastischen Gliedes 4b auf der Seite der Anodenelektrode und dem elastischen Glied 4c auf der Seite der Kathodenelektrode vorgenommen wird, eine Anodenelektrode 1b in eine Form 61d auf der Seite der Anodenelektrode angeordnet wird und eine Kathodenelektrode 1c in einer Form 61e auf der Seite der Kathodenelektrode, und die Form 61d auf der Seite der Anodenelektrode und die Form 61e auf der Seite der Kathodenelektrode werden wie in 11E gezeigt verklammert, wobei ein Rahmenglied 2 und eine Polymerelektrolytmembran 1a zwischen der Form 61d auf der Seite der Anodenelektrode und die Form 61e auf der Seite der Kathodenelektrode in Sandwichform eingefügt sind. Wie in 11F gezeigt, wird dann, wenn das geschmolzene Kunstharz in die Form 61d auf der Seite der Anodenelektrode und in die auf der damit auf die genannte Weise verklammerte Form 61e auf der Seite der Kathodenelektrode injiziert wird, das geschmolzene Kunstharz von der hinter der Polymerelektrolytmembran 1a angeordneten Form 61e in einem Hohlraum 61h des elastischen Gliedes 4b und in einem Hohlraum 61i des elastischen Gliedes 4c aufgenommen, das geschmolzene Kunstharz wird von dem verlängerten Bereich 2h des Rahmengliedes 2, der hinter der Polymerelektrolytmembran 1a und der Form 61d auf der Seite der Anodenelektrode angeordnet ist, aufgenommen. Die Flächen, die den Kunstharzdruck während des Formungsvorgangs aufnehmen, gehören darum zur Form oder zum Rahmenglied 2, das von der Form unterstützt wird, so dass die Polymerelektrolytmembran 1a nicht deformiert wird.
  • Es soll hier noch ein weiteres spezifisches Beispiel vorgeschlagen werden, bei dem in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen, wie in 10A und 10B gezeigt, die elastischen Glieder 4b und 4c nicht auf dem Rahmenglied 2 angeordnet sind, sondern an den Separatoren 5b und 5c.
  • Es wird außerdem noch ein weiteres spezifisches Beispiel vorgeschlagen, bei dem in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen die elastischen Glieder 4b und 4c in dem Rahmenglied 2 angeordnet sind, wie in 10C und 10D gezeigt, und elastische Glieder 45b und 45c, denen es ermöglicht wird, mit den elastischen Gliedern 4b und 4c in Kontakt zu kommen und die damit in Druckkontakt gebracht werden, ebenfalls an den Separatoren 5b und 5c angeordnet sind. Die elastischen Glieder 45b und 45c, die an den Separatoren 5b und 5c angeordnet sind, sind mit geneigten Flächen 45b-1 und 45c-1 ausgestattet, die gleich den geneigten Flächen 5f und 5g der Separatoren 5b und 5c sind, so dass die gleichen Funktionsergebnisse erreicht werden.
  • Beispiel 1
  • In der folgenden Beschreibung werden Beispiele diskutiert, in denen eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.
  • In 5A und 8A wurde eine Polymerelektrolytmembran 1a dadurch geformt, dass ein Kunstharzmaterial wie „Nafion N-117” (eingetragene Marke) der Firma DuPont de Nemours and Company mit einer Dicke von 50 μm mit einer Thompson-Form ausgestanzt wurde. An jeder dieser Oberflächen dieser Polymerelektrolytmembran 1a wunde eine Anodenelektrode 1b und eine Kathodenelektrode 1c befestigt und, indem diese Kombination aus Polymerelektrolytmembran 1a und Elektrodenanordnung 15 als eingelegtes Teil benutzt wurde, wurde ein Rahmenglied 2 unter Verwendung von Polypropylen mit Glasfaserzusatz (beispielsweise R250G der Firma Idemitsu Kosan Co., Ltd) als Kunstharz geformt.
  • In dem so geformten Rahmenglied 2 waren, wie in 8A gezeigt, mindestens entsprechende Paare von Verteileröffnungen 15b für Brennstoffgas, Verteileröffnungen 15a für Oxidantgas und Verteileröffnungen 15c für Kühlwasser ausgebildet sowie eine Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen 16 zum Einführen von Befestigungsbolzen für Zellen.
  • Das Rahmenglied 2 wird weiter mit einer Dichtung 3c versehen, die auf einer Rahmengliedmontageoberfläche 9 geformt wird, die der Oberfläche mit der darauf ausgebildeten Kathodenelektrode 1c entspricht, die Verteileröffnungen 15a für Oxidantgas und Oxidantgas-Flusspassagen 2y enthält; sie umgibt die gesamte Fläche, was es dem Oxidantgas ermöglicht, zur Kathodenelektrode 1c zu strömen, und umgibt auch die Verteileröffnungen 15c für das Kühlwasser. Außerdem wurde das Rahmenglied 2 ebenfalls mit einer Dichtung 3b versehen, die an einer Rahmengliedmontageoberberfläche 9 ausgebildet wurde, die der Oberfläche mit der darauf ausgebildeten Anodenelektrode 1b entspricht und die Verteileröffnungen 15b für Brennstoffgas und Brennstoffgasflusspassagen 2x enthält, die die gesamte Fläche umgibt und es dem Brennstoffgas ermöglicht, an die Anodenelektrode 1b zu strömen, und auch die Verteileröffnungen 15c für das Kühlwasser umgibt. Hinsichtlich einer Gasflusspassage 19, die von jeder der Verteileröffnungen 15b für Brennstoffgas und 15a für Oxidantgas in Richtung auf jede der Elektroden auf jede der beiden Oberflächen der Anodenelektrode 1b und der Kathodenelektrode 1c gerichtet ist, wie in 9 gezeigt, sind Gasflusspassagenbereiche 4b-1 und 4c-1, die Bereiche der rahmenförmigen elastischen Glieder 4b und 4c bilden und den Gasflusspassagenbereichen 2x und 2y des Rahmengliedes 2 entsprechen, niedriger gestaltet bis zum gleichen Niveau der Dicke des Rahmengliedes 2, und an Gasflusspassagenbereichen der Separatoren 5b und 5c, die den Gasflusspassagebereichen 4b-1 und 4c-1 der elastischen Glieder 4b und 4c gegenüber angeordnet sind, sind konkave Gasflusspassagenabschnitte 5b-1 und 5c-1 ausgebildet, wobei Verstärkungsrippen 4d und 4e in Richtung der Gasflusspassage ausgebildet sind.
  • Bei diesem Beispiel hatten die Elektroden 1b und 1c einen Außenrand von 120 mm im Quadrat und eine Dicke von 0,5 mm und das Rahmenglied 2 eine Dicke von 2 mm und einen Innenrand von 125 mm im Quadrat. Außerdem wurden durch einen Formungsvorgang mit einem thermoplastischen Kunstharzelastomer zwischen dem Außenrand der Elektrode und dem Innenrand des Rahmengliedes die Elektroden 1b und 1c und das Rahmenglied 2 integral ausgebildet. Für die elastischen Glieder 4b und 4c wurde ein thermoplastisches Kunstharzelastomer verwendet, und bei einer anfänglichen Dicke von 2,2 mm wurden die verbundenen Flächen der elastischen Glieder 4b und 4c auf den Separatoren 5b und 5c auf die gleiche Fläche gebracht wie sie am Rahmenglied 2 durch die Separatoren 5b und 5c gegeben war; auf die Weise wurde bewirkt, dass die komprimierte Menge des elastischen Gliedes zur Zeit des Laminiervorgangs 0,10 mm auf der Seite der Anodenelektrode sowie auch auf der Seite der Kathodenelektrode betrug.
  • Die geneigte Fläche zur Elektrodenfläche auf der Seite des Innenrandes jedes elastischen Gliedes 4b und 4c ist so geformt, dass sie um 30° gegenüber einer zur Polymerelektrolytmembran 1a rechtwinklig verlaufenden Richtung geneigt ist.
  • Die so hergestellte Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung 15 wurde durch den anodenseitigen Separator 5b und den kathodenseitigen Separator 5c von den beiden Seiten sandwichartig eingeschlossen, so dass eine einzelne Zelle 20 gebildet war.
  • Es wurden fünfzig dieser einzelnen Zellen 20 laminiert, und auf jedes Ende dieser laminierten fünfzig Zellen wurde eine Kollektorplatte 21 aus Metall, eine Isolierplatte 22 aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Endplatte 23 mit einer Befestigungsstange gesichert; dann wurden Wasserstoff und Luft zugeführt und Kühlwasser in Zirkulation gebracht, so dass ein Brennstoffzellentest durchgeführt wurde. Es ergab sich eine Verbesserung der Gasnutzungsrate um 6% gegenüber dem Aufbau ohne Verwendung der elastischen Glieder.
  • Durch eine geeignete Kombination der möglichen Ausführungsformen der oben genannten unterschiedlichen Ausführungsformen können die mit den Ausführungsformen möglichen Wirkungen erzeugt wenden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Mit einer Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Phänomen der Querleckage, das durch den Spalt zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem Rahmenglied auftritt, wirksam zu begrenzen und damit die Nutzungsraten eines Reduktantgases und eines Oxidantgases weiter zu verbessern; die sich ergebende Brennstoffzelle wird wirksam als eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet, die einen weiter verbesserte Leistung aufweist.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben wurde, wird bemerkt, dass Fachleuten auf diesem Gebiet verschiedene Veränderungen und Modifikationen ohne Weiteres deutlich werden. Solche Veränderungen und Modifikationen sollen als im Bereich der vorliegenden Erfindung gelten, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, wenn sie sich nicht davon entfernen.

Claims (10)

  1. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist, die durch Laminieren von Einzelzellenmodulen gebildet wird, von denen jedes Folgendes enthält: eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung mit einer Elektrodeneinheit, bestehend aus einer mit einer Oberfläche einer Polymerelektrolytmembran verbundenen Anodenelektrode und einer mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran verbundenen Kathodenelektrode, sowie mit einem einen Verteiler bildenden Rahmenglied, das an einem Umfangsrand der Elektrodeneinheit angeordnet und mit einer Gaszuführeinheit zum Zuführen eines Brennstoffgases bzw. eines Oxidantgases an die Anodenelektrode bzw. die Kathodenelektrode ausgestattet ist; und ein Paar von Separatoren, das die Elektrodeneinheit und die Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung von sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite zwischen sich einschließt, wobei ein elastisches Glied zwischen einem Außenrand der Elektrodeneinheit und einem Innenrand des Rahmengliedes angeordnet und das elastische Glied integral mit dem Rahmenglied verbunden ist und das elastische Glied vor dem Laminieren der Einzelzellenmodule mit seiner dem Separator gegenüberliegenden Oberfläche über die Oberfläche der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung hinausragt, wobei das elastische Glied im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule in Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung elastisch verformt ist, so dass der Spalt zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist, wobei sich das elastische Glied vom Rand der Anodenelektrode bzw. Kathodenelektrode aus über einen Teil der Oberfläche der Anodenelektrode bzw. Kathodenelektrode erstreckt.
  2. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied mit einer Mehrzahl von einen Kurzschluss verhindernden Rippen versehen ist, die mit dem Separator im Kontakt stehen, um elastisch verformt zu werden, so dass im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule die Rippen elastisch orthogonal zur Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung verformt werden.
  3. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein konkaver Abschnitt, in den elastisch verformte Bereiche der Rippen und ein elastisch verformter Bereich des elastischen Gliedes freigegeben werden, zwischen den Rippen angeordnet ist, so dass der elastisch verformte Bereich des elastischen Gliedes und die elastisch verformten Bereiche der Rippen in den konkaven Abschnitt verlängert werden.
  4. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Polymerelektrolyt-Brenn-stoffzelle ist, die durch Laminieren von Einzelzellenmodulen gebildet wird, von denen jedes Folgendes enthält: eine Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung mit einer Elektrodeneinheit, bestehend aus einer mit einer Oberfläche einer Polymerelektrolytmembran verbundenen Anodenelektrode und einer mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran verbundenen Kathodenelektrode, sowie mit einem einen Verteiler bildenden Rahmenglied, das an einem Umfangsrand der Elektrodeneinheit angeordnet und mit einer Gaszuführeinheit zum Zuführen eines Brennstoffgases bzw. eines Oxidantgases an die Anodenelektrode bzw. die Kathodenelektrode ausgestattet ist; und ein Paar von Separatoren, das die Elektrodeneinheit und die Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung von sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite zwischen sich einschließt, wobei ein elastisches Glied zwischen einem Außenrand der Elektrodeneinheit und einem Innenrand des Rahmengliedes angeordnet und das elastische Glied integral mit dem Rahmenglied verbunden ist und das elastische Glied vor dem Laminieren der Einzelzellenmodule mit seiner dem Separator gegenüberliegenden Oberfläche über die Oberfläche der Membran-Elektroden-Rahmen Anordnung hinausragt, wobei das elastische Glied im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule in Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung elastisch verformt ist, so dass der Spalt zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator mit Ausnahme eines Bereichs in der Nähe der Gaszuführeinheit in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist, wobei sich das elastische Glied vom Rand der Anodenelektrode bzw. Kathodenelektrode aus über einen Teil der Oberfläche der Anodenelektrode bzw. Kathodenelektrode erstreckt, wobei das elastische Glied mit einer Mehrzahl von einen Kurzschluss verhindernden Rippen versehen ist, die mit dem Separator im Kontakt stehen, um elastisch verformt zu werden, so dass im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule die Rippen elastisch orthogonal zur Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung verformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich in der Nähe der Gaszuführeinheit das elastische Glied eine Länge aufweist, die kleiner als das Spaltmaß zwischen der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung und dem Separator im zusammengesetzten Zustand der Einzelzellenmodule ist, so dass ein Gaszuführspalt zwischen dem elastischen Glied und dem Separator gebildet wird.
  5. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied entweder nur auf der Anodenseite oder nur auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung angeordnet ist, und dass ein verlängerter Bereich, der durch Verlängern des Rahmengliedes in Richtung auf die Mitte in Richtung des inneren Randes gebildet ist, um einen das Zusammendrücken des elastischen Gliedes beim Laminieren des Separators empfangenen Druck aufzunehmen, auf der anderen Seite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung gebildet wird.
  6. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Rahmen-Anordnung angeordnet ist, und dass eine Position des elastischen Gliedes auf der Anodenseite und eine Position des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite zueinander versetzt sind.
  7. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position eines Außenrandes der Anodenelektrode, die mit einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, und eine Position eines Außenrandes der Kathodenelektrode, die mit der anderen Oberfläche der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Positionen des elastischen Gliedes auf der Anodenseite und des elastischen Gliedes auf der Kathodenseite gegeneinander versetzt sind.
  8. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenglied mit einer Dichtung versehen ist, die auf einer Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf einer Seite, an der die Kathodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Oxidantgas sowie eine Oxidantgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Kathodenelektrode umgibt, durch den das Oxidantgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Oxidationsgas gebildet wird, dass das Rahmenglied mit einer weiteren Dichtung versehen ist, die auf einer weiteren Rahmengliedmontagefläche entsprechend einer Oberfläche auf dem Rahmenglied auf einer Seite, an der die Anodenelektrode positioniert ist, gebildet ist, um aus dieser vorzustehen, und eine Verteileröffnung für ein Brennstoffgas sowie eine Brennstoffgaspassage aufweist und einen gesamten Bereich der Anodenelektrode umgibt, durch den das Brennstoffgas passieren kann, so dass ein Verteiler für ein Brennstoffgas gebildet wird, und dass im zusammengesetzten Zustand des Einzelzellenmoduls die Dichtungen jeweils in der Dickenrichtung des Rahmengliedes elastisch verformt werden, so dass der Spalt zwischen dem Rahmenglied und dem Separator in einem engen Kontaktzustand abgedichtet ist.
  9. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gekennzeichnet durch eine Polymerelektrolytmembran; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die die Polymerelektrolytmembran zwischen sich einschließen und mindestens eine Gasdiffusionsschicht aufweisen; einen ersten Separator mit einer Strömungspassage, die zum Zuführen und Abführen eines Reaktionsgases zur bzw. von der ersten Elektrode benutzt wird; einen zweiten Separator mit einer Strömungspassage, die zum Zuführen und Abführen eines Reaktionsgases zur bzw. von der zweiten Elektrode benutzt wird; und ein Rahmenglied mit rechteckförmigen Öffnungsabschnitten an peripheren Randbereichen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei ein erstes elastisches Glied zwischen einem Außenrand der ersten Elektrode und einem Innenrand des Rahmengliedes auf der Seite der ersten Elektrode gebildet ist, wobei mindestens ein Bereich eines Außenrandes der Gasdiffusionsschicht der ersten Elektrode so angeordnet ist, dass er über einen Außenrand der Gasdiffusionsschicht auf der gegenüberliegenden zweiten Elektrode hinausragt, und wobei mindestens ein Bereich eines Außenrandes der Gasdiffusionsschicht der ersten Elektrode und mindestens ein Bereich eines Innenrandes des Rahmengliedes auf der zweiten Elektrode so angeordnet sind, dass sie zueinander zeigen.
  10. Fest-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites elastisches Glied zusätzlich zwischen dem Außenrand der zweiten Elektrode und dem Innenrand des Rahmengliedes auf der Seite der ersten Elektrode angeordnet ist.
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