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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Separator zur Verwendung
in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle,
sowie auf ein Verfahren zum Ausbilden eines Kollektors des Separators.
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Hintergrund der Erfindung
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Allgemein
weist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Elektrodenstruktur
auf, die ihrerseits eine Anodenelektrodenschicht, die auf einer Seite
einer Elektrolytmembran ausgebildet ist, und eine Kathodenelektrodenschicht
aufweist, die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran ausgebildet
ist. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle werden Brennstoffgas
(z. B. Wasserstoffgas) und Oxidationsgas (z. B. Luft) von außen
an die Anodenelektrodenschicht bzw. die Kathodenelektrodenschicht
geliefert. Die Zufuhr von Brennstoffgas und Oxidationsgas ruft in
der Elektrodenstruktur Elektrodenreaktionen hervor, wodurch Elektrizität
erzeugt wird. Daher ist es zum Verbessern des Wirkungsgrads der
Erzeugung von Elektrizität der Polymerelektrolytbrennstoffzelle wichtig,
das für die Elektrodenreaktionen benötigte Brennstoffgas
und Oxidationsgas wirkungsvoll an die Elektrodenstruktur zu liefern.
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Währenddessen
hat die Polymerelektrolytbrennstoffzelle einen Separator zum Beliefern
der Anodenelektrodenschicht und der Kathodenelektrodenschicht mit
dem von außen angelieferten Brennstoffgas bzw. Oxidationsgas
in einem voneinander getrennten Zustand. Herkömmlicherweise
wurde der Elektrizitätserzeugungswirkungsgrad der Polymerelektrolytbrennstoffzelle
durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads in der Zufuhr von Brennstoffgas
und Oxidationsgas über den Separator verbessert.
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Zum
Beispiel offenbart die
japanische
Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer (kokai) 2007-87768 einen
Separator für eine Brennstoffzelle. Der Separator weist
einen Separatorkörper auf, der durch Trennung des Brennstoffgases
und des Oxidationsgases voneinander einen gemischten Strom von Brennstoffgas
und Oxidationsgas verhindert; und ein Kollektor, der aus einem Gittermetall
(Metallgitter) mit einer großen Anzahl von Durchlochungen
ausgebildet ist, die in einer maschenartigen, stufenförmigen Anordnung
ausgebildet sind, bildet einen Gasdurchgang zum Zuführen
des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases zur entsprechenden
Elektrodenschicht und sammelt die erzeugte Elektrizität.
Bei der Brennstoffzelle, die den auf diese Weise konfigurierten
Separator verwendet, gelangt das durch den Separatorkörper
getrennte Brennstoffgas oder Oxidationsgas durch die maschenartigen
Durchlochungen, die im Kollektor ausgebildet sind, wodurch es genügend
verteilt wird. Deshalb kann der Elektrizitätserzeugungswirkungsgrad
der Polymerelektrolytbrennstoffzelle verbessert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
in der
japanischen Patentanmeldung
mit der Veröffentlichungsnummer (kokai) 2007-87768 offenbarte
Kollektor ist aus einem Metallgitter gebildet, der mit einem allgemeinen
Herstellungsverfahren hergestellt wird. Deshalb ist üblicherweise
die Dicke des Kollektors gering. Deshalb kann es sein, dass der
Widerstand im Zusammenhang mit dem Fluss des Brennstoffgases oder
Oxidationsgases zur entsprechenden Elektrodenschicht, d. h. der
Druckabfall, größer wird. Deshalb kann es vorkommen,
dass Brennstoffgas und Oxidationsgas nicht in genügender
Menge an die entsprechenden Elektrodenschichten geliefert wird,
was für Verbesserungen Raum lässt. In diesem Zusammenhang
ist eine denkbare Möglichkeit zum Vergrößern
der Dicke des Kollektors, d. h. der Dicke des Metallgitters, zum
Beispiel das Vergrößern einer Vorschubstrecke
beim Abscheren eines Materials (z. B. Metallblechs) in einer versetzten
Anordnung. Da jedoch der Verformungswiderstand des Materials gering
ist, tritt bei einer Vergrößerung der Vorschubstrecke
eine Schwierigkeit bei der Bearbeitung eines Metallgitters mit einer
entsprechenden Dicke auf. Die Verwendung eines Metallgitters mit
einer unpassenden Dicke kann zum Beispiel zu einer Ungleichmäßigkeit
in der Form der ausgebildeten Durchlochungen und einer Zunahme des
Druckabfalls führen.
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Außerdem
wird in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle bei in der Elektrodenstruktur
fortschreitenden Elektrodenreaktionen unter Verwendung des Brennstoffgases
und des Oxidationsgases in der Anodenelektrodenschicht oder Kathodenelektrodenschicht
gemäß der Ionenaustauscheigenschaft der Elektrolytmembran
Wasser erzeugt. Das auf diese Weise erzeugte Wasser bedeckt zum
Beispiel die Oberfläche der Anodenelektrodenschicht oder
die Oberfläche der Kathodenelektrodenschicht oder haftet
an den im Kollektor ausgebildeten Durchlochungen an, wodurch potentiell
eine gute Zufuhr von Brennstoffgas oder Oxidationsgas unterbunden
wird. Deshalb nimmt bei fortschreitenden Elektrodenreaktionen die
Möglichkeit eines Abfalls im Elektrizitätserzeugungswirkungsgrad
der Brennstoffzelle zu. Außerdem kann es in dem Fall, in
dem die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in einer Umgebung installiert wird,
die niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist, vorkommen, dass das darin
verbleibende erzeugte Wasser einfriert, was dazu führt,
dass nicht genügend Brennstoffgas oder Oxidationsgas zugeführt
wird. Folglich kann es sein, dass die Kaltstartleistung der Brennstoffzelle
schlechter wird. Deshalb muss durch die Elektrodenreaktionen erzeugtes
Wasser wirkungsvoll nach außen abgeleitet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben erwähnten
Probleme gemacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Separator
für eine Brennstoffzelle vorzusehen, der sowohl eine gute Leistung
der Zufuhr von Brennstoffgas und Oxidationsgas als auch eine gute
Leistung der Ableitung durch Elektrodenreaktionen erzeugten Wassers
aufweist.
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Zum
Lösen der oben genannten Aufgabe umfasst gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Separator für eine
Brennstoffzelle zum Zuführen von außen eingeführten
Brennstoffgases und Oxidationsgases zu entsprechenden Elektrodenschichten
einer Elektrodenstruktur der Brennstoffzelle einen flachblechartigen
Separatorkörper, der durch eine Trennung des Brennstoffgases
und des Oxidationsgases voneinander einen gemischten Strom des Brennstoffgases
und des Oxidationsgases verhindert, sowie einen Kollektor, der zwischen
der Elektrodenstruktur und dem Separatorkörper angeordnet
ist, der das durch den Separatorkörper getrennte Brennstoffgas
oder Oxidationsgas verteilt, wobei das verteilte Brennstoffgas oder
Oxidationsgas der entsprechenden Elektrodenschicht zugeführt
wird, und die durch Elektrodenreaktionen in der Elektrodenstruktur erzeugte
Elektrizität sammelt, wobei ein Winkel zwischen einer Ausbildungsrichtung
von Durchlochungsausbildungsteilen zum Ausbilden von Durchlochungen
in einer maschenartigen, stufenförmigen Anordnung und einer
Ausbildungsrichtung von Verbindungsteilen zum Verbinden der Durchlochungsbildungsteile
miteinander kleiner als 90° ist.
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In
diesem Fall kann der Winkel zwischen der Ausbildungsrichtung der
Durchlochungsbildungsteile und der Ausbildungsrichtung der Verbindungsteile des
Kollektors zum Beispiel ungefähr 60° oder größer sein.
Außerdem kann der Kollektor aus einem Metallgitter ausgebildet
sein, das eine große Anzahl von Durchlochungen mit kleinem
Durchmesser hat, die in einer maschenartigen, stufenförmigen
Anordnung mittels Fadenteilen, die den Durchlochungsbildungsteilen
entsprechen, und Knotenteilen, die den Verbindungsteilen entsprechen,
ausgebildet sind.
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Ein
Verfahren zum Ausbilden eines Kollektors eines Separators für
eine Brennstoffzelle kann eine Formungsvorrichtung verwenden, die
einen stationären Stempel, dessen Endteil zum Legen eines Blechmaterials
darauf einen keilförmigen Querschnitt hat, der einen Winkel
von weniger als 90° hat, und einen Scherstempel aufweist,
der in einer Vorschubrichtung des Blechmaterials bezüglich
dem stationären Stempel angeordnet ist und sich in einer
Dickenrichtung des Blechmaterials und in einer Breitenrichtung des
Blechmaterials bewegt, dessen Endteil, der mit dem Blechmaterial
in Kontakt kommt, einen keilförmigen Querschnitt hat, der
einen Winkel von weniger als 90° hat, um so mit dem keilförmigen
Querschnitt des Endteils des stationären Stempels kompatibel
zu sein, und der das Blechmaterial so schert, dass im Blechmaterial
Durchlochungen ausgebildet werden. Das Verfahren kann einen ersten
Schritt des Vorschiebens des Blechmaterials um eine vorbestimmte
Vorschubstrecke, das Bewegen des Scherstempels in eine Richtung
bezüglich der Breitenrichtung des Blechmaterials und das
Bewegen des Scherstempels in der Richtung der Dicke des Blechmaterials
aufweisen, um so die Durchlochungen auszubilden, sowie einen dem
ersten Schritt folgenden zweiten Schritt des Vorschiebens des Blechmaterials um
die vorbestimmte Vorschubstrecke, des Bewegens des Scherstempels
in die andere Richtung bezüglich der Breitenrichtung des
Blechmaterials, und des Bewegens des Scherstempels in der Dickenrichtung
des Blechmaterials, um so die Durchlochungen auszubilden.
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Bei
diesem Formverfahren werden zum Beispiel der erste Schritt und der
zweite Schritt nacheinander wiederholt. Außerdem kann der
Scherstempel auch eine Vielzahl von Scherkanten aufweisen, die in vorbestimmten
Intervallen ausgebildet sind. In diesem Fall kann jede der Scherkanten
zum Beispiel eine trapezförmige oder dreieckige Form haben, wenn
sie in einem Schnitt senkrecht zur Vorschubrichtung des Blechmaterials
betrachtet wird.
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Gemäß den
oben erwähnten Konfigurationen kann der Kollektor, der
teilweise den Separator für eine Brennstoffzelle ausbildet,
zum Beispiel aus einem Metallgitter gebildet werden und kann daher eine
große Anzahl von Durchlochungen mit einem kleinen Durchmesser
aufweisen, die in einer maschenartigen, stufenförmigen
Anordnung ausgebildet sind.
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Auf
diese Weise bewirkt der Kollektor, dass das Brennstoffgas oder das
Oxidationsgas vom Separatorkörper getrennt durch eine große
Anzahl von darin ausgebildeten Durchlochungen gelangt, wodurch das
Gas in einem gut verteilten Zustand der entsprechenden Elektrodenschicht
zugeführt wird. Außerdem kann im Kollektor der
Winkel zwischen der Ausbildungsrichtung der Durchlochungsbildungsteile (Fadenteile)
und der Ausbildungsrichtung der Verbindungsteile (Knotenteile) kleiner
als 90 Grad, insbesondere ungefähr 60 Grad bis weniger
als 90 Grad, sein. Auf diese Weise kann, wenn der Kollektor zwischen
der Elektrodenstruktur und dem Separatorkörper angeordnet
wird, die Öffnungsebene einer jeden der Durchlochungen
bezüglich der Elektrodenstruktur (spezifischer der Elektrodenschicht)
oder dem Separatorkörper einen großen Winkel haben,
d. h. die Durchlochungen sind in einem steilen Anstellwinkel.
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Auf
diese Weise kann selbst in dem Fall, in dem die Ausbildung der Durchlochungen,
die denselben Durchmesser als herkömmliche Durchlochungen haben,
die Dicke des Kollektors in einem der Steilheit entsprechenden Grad
vergrößert werden. Mit anderen Worten kann mittels
der Ausbildung von Durchlochungen unter Bearbeitungsbedingungen,
die so gut sind, dass bei ihnen die oben erwähnte fehlerhafte Bearbeitung
nicht auftritt, die Dicke des Kollektors vergrößert
werden. Dank einer Vergrößerung der Dicke des
Kollektors kann ein Druckabfall im Zusammenhang mit der Strömung
des Gases verringert werden, wodurch hinsichtlich der Zufuhr von
Brennstoffgas und Oxidationsgas, die für Elektrodenreaktionen
in der Elektrodenstruktur benötigt werden, eine ausreichenden
Gaszufuhrleistung sichergestellt wird. Deshalb kann der Elektrizitätserzeugungswirkungsgrad
der Brennstoffzelle beträchtlich verbessert werden.
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Durch
Einstellen des Winkels zwischen der Ausbildungsrichtung der Durchlochungsausbildungsteile
und der Ausbildungsrichtung der Verbindungsteile auf weniger als
90 Grad (spezifischer ungefähr 60 Grad) kann der Abstand
zwischen den Verbindungsteilen im Kollektor verringert werden. Mit
anderen Worten können die Durchlochungen in großer Nähe
zueinander ausgebildet werden. In einem Zustand, in dem die Durchlochungen
in großer Nähe zueinander sind, macht die Kapillarwirkung,
die in den Durchlochungen auftritt, das erzeugte Wasser flüssiger,
wenn durch Elektrodenreaktionen erzeugtes Wasser die Nähe
des Kollektors erreicht. Außerdem wirkt in einem Zustand,
in dem ein Brennstoffgas oder Oxidationsgas fließt, d.
h. in einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle aktiviert wird,
zusätzlich zur Kapillarwirkung ein zur Erzeugung des Gasstroms ausgeübter
Druck auf das erzeugte Wasser. Auf diese Weise kann das erzeugte
Wasser zusammen mit einem Teil des unreagierten Gases wirkungsvoll
aus der Brennstoffzelle abgeleitet werden. Demnach kann selbst in
einem Zustand, in dem mit Fortschreiten der Elektrodenreaktionen
Wasser erzeugt wird, das erzeugte Wasser gut abgeleitet werden.
Deshalb kann eine gute Gaszufuhrleistung aufrechterhalten werden,
wobei ein Abfall im Elektrizitätserzeugungswirkungsgrad
der Brennstoffzelle verhindert werden kann.
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Außerdem
können, da der Abstand zwischen den Verbindungsteilen im
Kollektor verringert werden kann, Kontakte zwischen der Elektrodenstruktur (spezifischer
der Elektrodenschicht) oder dem Separatorkörper und Verbindungsteilen
des Kollektors dicht beieinander angeordnet werden. Auf diese Weise
kann der Kollektor durch Elektrodenreaktionen erzeugte Elektrizität
wirkungsvoll sammeln und ausreiten. Außerdem können
insbesondere die dicht beieinander angeordneten Kontakte zwischen
der Elektrodenstruktur und den Verbindungsteilen des Kollektors
eine Verformung der Elektrodenstruktur, deren Substrat eine dünne
Polymermembran ist, beträchtlich verringern. Auf diese
Weise kann eine mechanische Belastung, die von der Verformung herrührt
und auf die Elektrodenstruktur einwirkt, beträchtlich verringert
werden, wodurch eine Zustandsverschlechterung der Elektrodenstruktur
verhindert wird, die sonst aufgrund der mechanischen Belastung auftreten
würde.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung, die sich auf eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezieht und Teile eines Brennstoffzellenstapels
zeigt, der Separatoren für eine Brennstoffzelle der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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2 ist
eine schematische perspektivische Darstellung, die einen Separatorkörper
des Separators von 1 zeigt;
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die 3(a) und 3(b) sind
schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Kollektors
(Metallgitters) von 1;
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die 4(a) und 4(b) sind
schematische Darstellungen zur Erläuterung der Konfiguration
einer Metallgitterausbildungsvorrichtung zur Herstellung des Metallgitters;
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die 5(a) und 5(b) sind
schematische Darstellungen zur Erläuterung der Konfiguration
einer herkömmlichen Metallgitterausbildungsvorrichtung
zur Herstellung des Metallgitters;
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die 6(a) und 6(b) sind
schematische Darstellungen zur Erläuterung als Vergleichsbeispiel eines
Metallgitters, das durch die Metallgitterausbildungsvorrichtung
von 5 hergestellt ist;
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7 ist
eine Darstellung zur Erläuterung des Unterschieds des Maschenabstands
zwischen dem in 3 gezeigten Metallgitter und
dem in 6 gezeigten Metallgitter;
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8 ist
eine schematische perspektivische Darstellung zur Erläuterung
eines Montagezustands von Rahmen und einer in 1 gezeigten
MEA; und
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9 ist
ein Paar schematischer Darstellungen, die modifizierte Durchlochungen
des Kollektors (des Metallgitters) zeigen.
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Beste Art und Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Als
Nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung im Einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben. 1 ist
eine Schnittdarstellung, die schematisch einen Teil eines Polymerelektrolytbrennstoffzellenstapels
zeigt, der Separatoren 10 für eine Brennstoffzelle
(die hiernach lediglich als die Separatoren 10 bezeichnet
werden) gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
Der Brennstoffzellenstapel besteht aus einem Stapel von Zellen.
Eine einzelne Zelle enthält zwei Separatoren 10,
zwei Rahmen 20 und eine MEA 30 (Membran-Elektroden-Anordnung 30).
Die Rahmen 20 und die MEA 30 sind in Schichten
zwischen den Separatoren 10 angeordnet.
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Wenn
zum Beispiel Brennstoffgas, wie zum Beispiel Wasserstoffgas, und
Oxidationsgas, wie zum Beispiel Luft, von außerhalb des
Brennstoffzellenstapels in die Zellen eingeführt werden,
treten in den MEAs 30 Elektrodenreaktionen auf, wodurch Elektrizität
erzeugt wird. Hiernach kann Brennstoffgas und Oxidationsgas kollektiv
einfach auch als Gas bezeichnet werden.
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Wie
in 1 gezeigt, weist jeder der Separatoren 10 einen
Separatorkörper 11 zur Verhinderung eines gemischten
Gasstroms, der in den Brennstoffzellenstapel eingeführt
wird, sowie einen Kollektor 12 zum gleichmäßigen
Verteilen von außen zugeführten Brennstoffgases
oder Oxidationsgases zur MEA 30 und zum Sammeln durch Elektrodenreaktionen
erzeugter Elektrizität auf.
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Der
Separatorkörper 11 ist aus einem Metallblech (z.
B. einem Edelstahlblech mit einer Dicke von ungefähr 0,1
mm) ausgebildet. Ein weiteres Material, das zur Ausbildung des Separatorkörpers 11 verwendet
werden kann, ist zum Beispiel ein Stahlblech, das einer Antikorrosionsbehandlung,
wie zum Beispiel einer Vergoldung, unterzogen wurde. Anstelle eines Metallblechs
kann ein elektrisch leitfähiges Nichtmetallmaterial (z.
B. Kohlenstoff) ebenfalls zur Ausbildung des Separatorkörpers 11 verwendet
werden.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Separatorkörper 11 in
eine im Wesentlichen quadratische, flachblechartige Form gebracht.
Zwei Gaseinlässe 11a und zwei Gasauslässe 11b sind
in einem Randbereich des Separatorkörpers 11 in
einer solchen Weise ausgebildet, dass die Gaseinlässe 11a den
entsprechenden Gasauslässen 11b gegenüberliegen.
Ein Paar, das aus dem Gaseinlass 11a und dem Gasauslass 11b besteht,
ist im Wesentlichen im rechten Winkel zum anderen Paar ausgerichtet,
das aus dem Gaseinlass 11a und dem Gasauslass 11b besteht.
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Die
Gaseinlässe 11a nehmen jeweils die Form eines
länglichen Durchgangslochs an und erlauben dem Brennstoffgas
oder Oxidationsgas, die von außerhalb dem Brennstoffzellenstapel
zugeführt werden, durch sie hindurch in die entsprechende
Zelle eingeführt zu werden und durch diese hindurchzufließen,
um so den anderen gestapelten Zellen zugeführt zu werden.
Die Gasauslässe 11b nehmen ebenfalls jeweils die
Form eines länglichen Durchgangslochs an und erlauben das
Auslassen von Gas durch sie hindurch aus dem Brennstoffzellenstapel
heraus, das in die entsprechende Zelle eingeführt wurde,
in der MEA 30 jedoch unreagiert bleibt, sowie auch das Fließen
unreagierten Gases von anderen gestapelten Zellen durch sie hindurch.
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Wie
in 3(a) gezeigt, ist der Kollektor 12 aus
einem Metallblech mit einer großen Anzahl von Durchlochungen
mit kleinem Durchmesser ausgebildet, die in einer maschenartigen,
stufenförmigen Anordnung gebildet sind (hiernach wird das
Metallblech als ein Metallgitter MR bezeichnet). Dieses Metallgitter
MR ist aus einem Blechmaterial (z. B. einem Edelstahlblech) mit
einer Dicke von ungefähr 0,1 mm ausgebildet. Die Durchlochungen,
die in einer großen Menge ausgebildet sind, haben einen
Lochdurchmesser von ungefähr 0,1 mm bis 1 mm. Wie in 3(b) gezeigt, bei der es sich um eine
Seitenansicht in der Richtung von links nach rechts in 3(a) handelt, sind bei dem Metallblech
MR diejenigen Teile, welche die Durchlochungen bilden (hiernach
werden diese Teile als Fadenteile bezeichnet) nacheinander in einer überlagernden
Art und Weise miteinander verbunden (hiernach werden diese Verbindungsteile
als Knotenteile bezeichnet). Hierbei entsprechen die Fadenteile
des Metallgitters MR den Durchlochungsausbildungsteilen des Kollektors 12 und
entsprechen die Knotenteile des Metallgitters MR den Verbindungsteilen
des Kollektors 12. Es folgt eine Beschreibung der maschinellen
Gitterausbildung zur Ausbildung des Metallgitters MR.
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Das
Metallgitter MR wird durch die Verwendung einer Metallgitterformungsvorrichtung
R ausgebildet, die in 4(a) schematisch
dargestellt wird, in einer solchen Weise, dass in einem Edelstahlblech
S eine große Anzahl von Durchlochungen in einer maschenartigen,
stufenförmigen Anordnung ausgebildet werden. Die Metallgitterformungsvorrichtung
R enthält Vorschubwalzen OR zum Vorschieben des Edelstahlblechs
S, einen Pressmechanismus OK zum entsprechenden Fixieren des Edelstahlblechs
S während der Bearbeitung, sowie einen Klingenstempel H zum
nacheinander Abscheren des Edelstahlblechs S, um so die Durchlochungen
in einer maschenartigen Anordnung auszubilden. Das Edelstahlblech
S kann die Form eines vorgestanzten Blechs mit einer vorbestimmten
Länge oder auch die Form einer Rolle annehmen.
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Der
Klingenstempel H besteht aus einer unteren Klinge SH, die als ein
stationärer Stempel dient, und ist auf einer nicht gezeigten
Basis befestigt, und darauf wird das Edelstahlblech S gelegt, und
einer oberen Klinge UH, die als ein Abscherstempel dient und sich
in der Dickenrichtung des Edelstahlblechs S (auf dem Papier, auf
dem 4(a) erscheint, in der senkrechten
Richtung) sowie in der Breitenrichtung des Edelstahlblechs S (in
der Richtung senkrecht zu dem Papier, auf dem 4(a) erscheint)
bewegen kann. Wie in 4(a) gezeigt,
ist die untere Klinge SH so ausgebildet, dass ihr Endteil, der mit
dem Edelstahlblech S in Kontakt kommt, einen keilförmigen
Querschnitt hat, der zum Beispiel einen Winkel von ungefähr
60 Grad hat. Wie in 4(b) gezeigt, ist
die Kante der unteren Klinge SH, die mit dem Edelstahlblech S in
Kontakt kommt, gerade ausgebildet. Die Schräge der unteren
Klinge SH und der Pressmechanismus OK halten das Edelstahlblech
S zwischen sich fest, wodurch das Edelstahlblech S fixiert wird.
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Wie
in 4(a) gezeigt, ist die obere Klinge UH
so ausgebildet, dass ihr Endteil, der mit dem Edelstahlblech S in
Kontakt kommt, einen keilförmigen Querschnitt hat, der
einen Winkel von zum Beispiel ungefähr 60 Grad hat, um
so zu dem keilförmigen Querschnitt des Endteils der unteren
Klinge SH zu passen. Wie in 4(b) gezeigt,
hat zum Ausbilden von Schnitten im Edelstahlblech S durch eine Scherbearbeitung
und zum Ausbilden von Durchlochungen durch eine Streckbearbeitung
die Schneidkante der oberen Kante UH eine Form, die einer Vielzahl
von Trapezen ähnelt, die in vorbestimmten Intervallen angeordnet
sind. Die obere Klinge UH kann in der Dickenrichtung des Edelstahlblechs
S und in der Breitenrichtung des Edelstahlblechs S mittels eines nicht
gezeigten Wechselstrom-Servomechanismus bewegt werden.
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Bei
der auf diese Weise konfigurierten Metallgitterformungsvorrichtung
R schieben zuerst die Vorschubrollen OR das Edelstahlblech S um
eine vorbestimmte Vorschubstrecke zum Klingenstempel H vor. Der
Pressmechanismus OK und die Schräge der unteren Klinge
SH halten das Edelstahlblech S zwischen sich fest. Wenn die Vorschubwalzen
OR das Edelstahlblech S zum Klingenstempel H vorschieben, wird die
obere Klinge UH des Klingenstempels H zur unteren Klinge SH, d.
h. in der Dickenrichtung des Edelstahlblechs S, abgesenkt und schert das
Edelstahlblech S mittels der im Wesentlichen trapezförmigen
Schneidkanten und in Zusammenwirkung mit der unteren Klinge SH,
wodurch Schnitte im Edelstahlblech S ausgebildet werden. Nachfolgend wird
die obere Klinge UH weiter zur unteren Position ihres Arbeitshubs
abgesenkt, wodurch Teile des Edelstahlblechs S, die mit den Schneidkanten
der oberen Klinge UH in Kontakt sind, gebogen und gestreckt werden,
wodurch Fadenteile ausgebildet werden. Dann kehrt die obere Klinge
UH von der unteren Position in die ursprüngliche obere
Position ihres Arbeitshubs zurück. Auf diese Weise werden
die Fadenteile, auf welche die Form der oberen Klinge UH übertragen
wird, am Edelstahlblech S ausgebildet.
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Nachfolgend
schieben die Vorschubwalzen OR wiederum das Edelstahlblech S um
die vorbestimmte Vorschubstrecke zum Klingenstempel H vor. Zu dieser
Zeit bewegt sich die obere Klinge UH um die Hälfte einer
Arbeitsmaschengröße insbesondere um eine Schneidkantenlänge
WH der oberen Klinge UH, in der waagrechten Richtung (d. h. wird
versetzt). Dann wird die obere Klinge UH wieder, wie oben erwähnt,
abgesenkt. Hierdurch wird die oben erwähnte Schneidarbeit
und Biege-Streck-Arbeit am Edelstahlblech S an Positionen durchgeführt,
die um eine halbe Arbeitsmaschengröße gegenüber
den Fadenteilen nach links oder rechts versetzt sind, die durch
den vorhergehenden Absenkarbeitshub der oberen Klinge UH ausgebildet
wurden, wodurch neue Fadenteile ausgebildet werden, auf welche die
Form der oberen Klinge UH übertragen wird. Wie in 3(a) gezeigt, werden mittels der Fadenteile
im Edelstahlblech S im Wesentlichen sechseckige Durchlochungen ausgebildet.
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Ein
Wiederholen der oben erwähnten Vorgänge bildet
fortlaufend das Metallgitter MR aus, in dem eine große
Anzahl von Durchlochungen in einer versetzten, maschenartigen Anordnung
ausgebildet sind. Da die obere Klinge UH eine Vielzahl von im Wesentlichen
trapezförmigen Schneidkanten hat, hinterlässt
ein Absenken der oberen Klinge UH freigeschnittene Teile des Edelstahlblechs
S. Die freigeschnittenen Teile des Edelstahlblechs S werden zu Knotenteilen
des Metallgitters MR, wodurch die Fadenteile nacheinander in überlagernder
Weise verbunden werden. Das Metallgitter MR wird so geschnitten,
dass es vorbestimmte Abmessungen hat, wodurch der Kollektor 12 ausgebildet
wird.
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Wie
zuvor erwähnt, haben der Endteil der unteren Klinge SH
und der Endteil der oberen Klinge UH, die mit dem Edelstahlblech
S in Kontakt kommen, einen keilförmigen Querschnitt, der
einen Winkel von ungefähr 60 Grad hat. Das Metallgitter
MR wird mittels der unteren Klinge SH und der oberen Klinge UH ausgebildet,
die jeweils eine keilförmige Form haben. Auf diese Weise
wird bei dem Metallgitter MR, das durch die Metallgitterformungsvorrichtung
R ausgebildet wird, wie in 3(b) gezeigt,
zwischen der Ausbildungsrichtung der gleichzeitig geformten Knotenteile
(d. h. der Knotenteile in derselben Reihe) und der Ausbildungsrichtung
der Fadenteile, die mit den Knotenteilen verbunden sind und die Durchlochungen
bilden, ein Winkel von weniger als 90 Grad, insbesondere ungefähr
60 Grad, gebildet.
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Wie
in den 5(a) und 5(b) schematisch gezeigt,
verwendet ein allgemeines Herstellungsverfahren, das zum Ausbilden
eines herkömmlichen Metallgitters SMR verwendet wird, eine
Metallgitterformungsvorrichtung R', die eine untere Klinge SH' und eine
obere Klinge UH' verwendet, deren Endteile, die mit dem Edelstahlblech
S in Kontakt kommen, einen Querschnitt hat, der ein flaches Ende
und nicht einen keilförmigen Querschnitt hat. In ähnlicher
Weise zu der oben erwähnten Herstellung des Metallgitters
MR bildet auch die Metallgitterformungsvorrichtung R', welche die
untere Klinge SH' und die obere Klinge UH' verwendet, eine große
Anzahl von Durchlochungen im Edelstahlblech S in einer versetzten
maschenartigen Anordnung, wodurch sich das Metallgitter SMR ergibt.
Bei der herkömmlichen Metallgitterformungsvorrichtung R',
welche die untere Klinge SH' und die obere Klinge UH' verwendet,
halten die untere Klinge SH' und der Pressmechanismus OK das Edelstahlblech
S in einer solchen Weise zwischen sich, dass das Edelstahlblech
S in der waagrechten Richtung liegt, und bewegt sich die obere Klinge
UH' in der Dickenrichtung des Edelstahlblechs S, d. h. in der senkrechten
Richtung, auf und ab. Demgemäß wird, wie in 6 gezeigt,
bei dem hergestellten Metallgitter SMR der Winkel zwischen der Ausbildungsrichtung
von Knotenteilen und der Ausbildungsrichtung von Fadenteilen ungefähr
90 Grad.
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Im
Gegensatz dazu bewegt sich bei der Herstellung des Metallgitters
MR, während die untere Klinge SH und der Pressmechanismus
OK das Edelstahlblech S zwischen sich in einer solchen Weise halten,
dass das Edelstahlblech S in einem Winkel von ungefähr
60 Grad bezüglich der waagrechten Richtung nach oben geneigt
ist, die obere Klinge UH sich in der senkrechten Richtung auf und
ab. Auf diese Weise wird, wie in 3(b) gezeigt,
zwischen der Ausbildungsrichtung der Knotenteile und der Ausbildungsrichtung
der Fadenteile ein Winkel von ungefähr 60 Grad gebildet.
Das heißt, wenn das Metallgitter MR und das Metallgitter
SMR in eine waagrechte Ebene gelegt werden, wie in 7 gezeigt,
dass der Winkel zwischen der waagrechten Ebene und der Ebene, welche
die Fadenteile des Metallgitters MR enthält, größer
als derjenige ist, der zwischen der waagrechten Ebene und einer
Ebene ist, welche die Fadenteile des Metallgitters SMR enthält.
Mit anderen Worten sind die Durchlochungen, die im Metallgitter
MR in einer maschenartigen Anordnung ausgebildet werden, sozusagen
in einem steileren Anstellwinkel im Vergleich mit den Durchlochungen,
die beim herkömmlichen Metallgitter SMR in einer maschenartigen
Anordnung ausgebildet werden.
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Da
das Metallgitter MR einen großen Winkel zwischen den ausgebildeten
Fadenteilen und der waagrechten Ebene haben kann, kann das Metallgitter
MR eine ausreichend ausgebildete Dicke haben. Wie später
noch beschrieben wird, muss ein Zwischenraum zwischen dem Separatorkörper 11 und der
MEA 30 vergrößert werden, um einen guten Fluss
von Brennstoffgas oder Oxidationsgas sicherzustellen. In diesem
Fall kann, da der Kollektor 12, der aus dem Metallgitter
MR ausgebildet ist, eine große Dicke haben kann, der Zwischenraum
entsprechend vergrößert werden.
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Im
Gegensatz dazu muss bei der Herstellung des herkömmlichen
Metallgitters SMR zum Vergrößern der ausgebildeten
Dicke des Metallgitters SMR die Vorschubstrecke des Edelstahlblechs
S, das durch die Vorschubwalzen OR vorzuschieben ist, vergrößert
werden. Wenn jedoch zum Verleihen einer großen ausgebildeten
Dicke an das Metallgitter SMR die Vorschubstrecke des durch die
Vorschubwalzen OR vorzuschiebenden Edelstahlblechs vergrößert wird,
entsteht eine Schwierigkeit bei der Ausbildung der Fadenteile, da
ein Verformungswiderstand des dünnen Edelstahlblechs S
gering ist.
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Außerdem
kann, wie in 7 gezeigt, beim Metallblech
MR der Abstand zwischen den Knotenteilen, d. h. ein Maschenabstand
P, verkleinert werden. Auf diese Weise können, wenn die
MEA 30 und der Kollektor 12, die aus dem Metallgitter
MR ausgebildet werden, in Kontakt miteinander zusammengebaut werden,
Kontaktintervalle zwischen der MEA 30 und den Verbindungsteilen
des Kollektors 12 verkürzt (verdichtet) werden.
Demgemäß kann die Verformung (Welligkeit) der
MEA 30 in einem zusammengebauten Zustand beträchtlich
verringert werden. Deshalb kann eine mechanische Last, die auf die MEA 30 ausgewirkt
wird, beträchtlich verringert werden; auf diese Weise kann
eine entsprechende Haltbarkeit der MEA 30 sichergestellt
werden.
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Im
Gegensatz dazu ist, wie in 7 gezeigt, beim
herkömmlichen Metallgitter SMR der Abstand zwischen den
Knotenteilen, d. h. ein Maschenabstand P', größer.
Insbesondere ist in dem Fall, in dem die Vorschubstrecke verlängert
wird, um die ausgebildete Dicke des Metallgitters SMR zu erhöhen,
der Maschenabstand P' weiter vergrößert. Auf diese
Weise sind zum Beispiel, wenn der Kollektor 12 aus dem Metallgitter
SMR ausgebildet wird, Kontaktintervalle zwischen der MEA 30 und
den Verbindungsteilen des Kollektors 12 größer.
Hieraus ergibt sich, dass die MEA 30 in einem zusammengebauten
Zustand verformt (gewellt) ist und damit zusammenhängend
eine mechanische Last an die MEA 30 angelegt wird, welche
die Dauerhaftigkeit beeinträchtigen kann.
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Wie
in 8 gezeigt, besteht ein Rahmen 20 aus
zwei Harzplattenkörpern 21 und 22 desselben Aufbaus.
Eine Seite eines jeden der Harzplattenkörper 21 und 22 ist
an einem entsprechenden der beiden Separatoren 10 (insbesondere
den beiden Separatorkörpern 11) fest angebracht.
Die Harzplattenkörper 21 und 22 haben Außenabmessungen,
die im Wesentlichen identisch mit denen des Separatorkörpers 11 sind,
und eine Dicke, die geringfügig kleiner als die ausgebildete
Höhe des Kollektors 12 ist. Die Harzplattenkörper 21 und 22 werden
in einer Schichtstruktur zusammengefügt, während
sie in einer solchen Weise angeordnet werden, dass sie sich in ihrer
ebenen Ausrichtung um einen Winkel von 90 Grad unterscheiden. Verschiedene
Harzwerkstoffe können verwendet werden, um die Harzplattenkörper 21 und 22 zu
bilden. Vorzugsweise wird ein Epoxidglasharz verwendet.
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Die
Durchgangslöcher 21a und 21b, die dem Gaseinlass 11a bzw.
dem Gasauslass 11b entsprechen und im Wesentlichen ähnlich
geformt sind, sind in einem Randbereich des Harzplattenkörpers 21 ausgebildet,
und Durchgangslöcher 22a und 22b, welche
dem Gaseinlass 11a bzw. dem Gasauslass 11b entsprechen
und im Wesentlichen ähnlich geformt sind, sind in einem
Randbereich des Harzplattenkörpers 22 ausgebildet.
In einem Zustand, in dem eine einzelne Zelle gebildet wird, fallen
die Durchgangslöcher 21a, 21b, 22a und 22b in
ihrer Position mit den entsprechenden Gaseinlässen 11a und
Gasauslässen 11b zusammen. Aufnahmeöffnungen 21c und 22c zum
Unterbringen der entsprechenden Kollektoren 12, die mit
den Separatorkörpern 11 zusammengefügt
sind, sind in im Wesentlichen mittigen Bereichen der Harzplattenkörper 21 bzw. 22 ausgebildet.
Bei der Ausbildung einer einzelnen Zelle steht die Aufnahmeöffnung 21c des
Harzplattenkörpers 21 mit einem Paar in Verbindung,
das aus dem Gaseinlass 11a und dem Gasauslass 11b des
am Harzplattenkörper 21 befestigten Separatorkörpers 11 besteht,
und steht mit den Durchgangslöchern 22a und 22b des
Harzplattenkörpers 22 in Verbindung, während
die Aufnahmeöffnung 22c des Harzplattenkörpers 22 mit
dem anderen Paar, das aus dem Gaseinlass 11a und dem Gasauslass 11b des
am Harzplattenkörper 22 befestigten Separatorkörpers 11 besteht,
in Verbindung steht und mit den Durchgangslöchern 21a und 21b des
Harzplattenkörpers 21 in Verbindung steht.
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Aus
der Ausbildung der Aufnahmeöffnungen 21c und 22c ergibt
sich, dass die untere Oberfläche (obere Oberfläche)
des befestigten Separatorkörpers 11, die innen
umlaufende Oberfläche der Aufnahmeöffnung 21c (22c)
und die obere Oberfläche (untere Oberfläche) der
MEA 30 einen Raum (hiernach als Gasflussraum bezeichnet)
definieren. Zum Beispiel kann durch einen Gaseinlass 11a Brennstoffgas
in den entsprechenden Gasflussraum eingelassen werden, während
durch den anderen Gaseinlass 11a und durch das Durchgangsloch 21a Oxidationsgas
in den entsprechenden Gasflussraum eingeführt werden kann.
Außerdem kann unreagiertes Gas, das durch den Gasflussraum
gelangt ist, durch einen Gasauslass 11b oder durch den
anderen Gasauslass 11b und das Durchgangsloch 21b nach
außen ausgelassen werden.
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Wie
in den 1 und 8 gezeigt, ist die MEA 30,
die als eine Elektrodenstruktur dient, so konfiguriert, dass vorbestimmte
Katalysatorschichten auf entsprechenden Seiten einer Elektrolytmembran EF
ausgebildet sind, insbesondere ist eine Anodenelektrolytschicht
AE auf der Seite ausgebildet, die zum Gasflussraum zeigt, in den
das Brennstoffgas eingeführt wird, und ist eine Kathodenelektrodenschicht CE
auf der Seite ausgebildet, die zum Gasflussraum zeigt, in welchen
Oxidationsgas eingeführt wird. Da Aktionen (Elektrodenreaktionen)
der Elektrolytmembran EF, der Anodenelektrodenschicht AE und der Kathodenelektrodenschicht
CE allgemein bekannt sind und die vorliegende Erfindung nicht direkt
betreffen, entfällt deren detaillierte Beschreibung in
der folgenden Beschreibung.
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Die
Elektrolytmembran EF besteht aus einer Ionenaustauschmembran (z.
B.) NAFION (eingetragene Marke eines Produkts von Du Pont)), welche
für Kationen (insbesondere Wasserstoffionen (H+))
selektiv permeabel ist, oder einer Ionenaustauschmembran (z. B.
NEOCEPTOR (eingetragene Marke eines Produkts von Tokuyama)), welche
für Anionen (insbesondere Hydroxidionen OH–))
selektiv permeabel ist. Die Größe der Elektrolytmembran
EF wird so bestimmt, dass sie größer als eine
im Wesentlichen quadratische Öffnung ist, die gebildet
wird, wenn die Harzplattenkörper 21 und 22 des
Rahmens 20 übereinander gelegt werden, sowie so,
dass sie die Durchgangslöcher 21a und 21b und
die Durchgangslöcher 22a und 22b nicht
verdecken, wenn die Elektrolytmembran EF sandwichartig zwischen
den Harzplattenkörpern 21 und 22 angeordnet
ist. Eine solche Ausbildung der Elektrolytmembran EF verhindert, dass
in einen Gasflussraum eingeführtes Gas in den anderen Gasflussraum
leckt (sogenanntes Querleck).
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Die
Anodenelektrodenschicht AE und die Kathodenelektrodenschicht CE,
die in der vorliegenden Erfindung als die Elektrodenschichten dienen, enthalten
Kohlenstoff (Trägerkohlenstoff), der einen Edelmetallkatalysator
(z. B. Platin) oder eine Wasserstoffspeicherlegierung als eine Hauptkomponente trägt.
Die Anodenelektrodenschicht AE und die Kathodenelektrodenschicht
CE sind auf den entsprechenden Oberflächen der Elektrolytmembran
EF ausgebildet. Die Anodenelektrodenschicht AE und die Kathodenelektrodenschicht
CE sind in ihrer Größer geringfügig kleiner
als die im Wesentlichen quadratische Öffnung, die gebildet
wird, wenn die Harzplattenkörper 21 und 22 des
Rahmens 20 aufeinandergelegt werden.
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Eine
jeweils freiliegende Oberfläche der Anodenelektrodenschicht
AE und der Kathodenelektrodenschicht CE ist mit einem Kohlenstofftuch
CC bedeckt, das aus elektrisch leitfähiger Faser gebildet
ist. Das Kohlenstofftuch CC ist dazu ausgelegt, Brennstoffgas oder
Oxidationsgas, das im entsprechenden Gasflussraum geliefert wird,
gleichmäßig einer entsprechenden Elektrodenschicht
zuzuführen, und die durch Elektrodenreaktionen erzeugte
Elektrizität dem entsprechenden Kollektor 12 zuzuführen.
Da das Kohlenstofftuch CC faserig ist, fließt zugeführtes
Gas durch die Faserzwischenräume, um so gleichmäßig verteilt
zu werden. Da das Kohlenstofftuch CC elektrisch leitfähig
ist, erlaubt das Kohlenstofftuch CC einen wirkungsvollen Fluss erzeugter
Elektrizität an den entsprechenden Kollektor 12.
Die Kohlenstofftücher CC können gegebenenfalls
auch weggelassen werden.
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Eine
einzelne Zelle wird dadurch gebildet, dass der Separatorkörper 11,
der Kollektor 12, der Rahmen 20 und die MEA 30 in
Schichten angeordnet werden. Insbesondere ist, wie in 7 gezeigt,
die MEA 30 zwischen den beiden senkrecht angeordneten Rahmen 20 angeordnet,
die in einer solchen Weise angeordnet sind, dass sie sich in einer
ebenen Ausrichtung um einen Winkel von 90 Grad unterscheiden. Die
auf diese Weise angeordneten Elemente werden zum Beispiel durch
Auftragen eines Klebers zusammengefügt, so dass die Elektrolytmembran
EF der MEA 30 sandwichartig zwischen den Rahmen 20 angeordnet
ist.
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Die
Kollektoren 12 sind in die entstehende Anordnung der Rahmen 20 und
der MEA 30 eingepasst; insbesondere sind die Kollektoren 12 in
den entsprechenden Aufnahmeöffnungen 21c und 22c der
Rahmen 20 untergebracht. Zu dieser Zeit sind die Kollektoren 12 in
den entsprechenden Aufnahmeöffnungen 21c und 22c der
Rahmen 20 in einer solchen Weise untergebracht, dass die Öffnungsrichtung
der Durchgangslöcher einer maschenartigen Anordnung eines
jeden der Kollektoren 12 (der Metallgitter MR) mit der
Anordnungsrichtung der gepaarten Durchgangslöcher 21a und 21b (Durchgangslöcher 22a und 22b),
die im Rahmen 20 ausgebildet sind, in dem der Kollektor 12 untergebracht
ist, zusammenfallen, d. h. die Öffnungsrichtung fällt
mit der Flussrichtung des eingeführten Gases zusammen.
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In
einem Zustand, in dem die Kollektoren 12 in den entsprechenden
Aufnahmeöffnungen 21c und 22c des Rahmens 20 untergebracht
sind, sind die Separatorkörper 11 zum Beispiel
durch die Anwendung von Kleber fest am Rahmen 20 befestigt.
Da die Harzplattenkörper 21 und 22 eine
Dicke haben, die geringfügig kleiner als die ausgebildete
Höhe der Kollektoren 12 ist, führt eine
Befestigung der Separatorkörper 11 dazu, dass
die Kollektoren 12 leicht gegen die MEA 30 gepresst
werden. Auf diese Weise wird ein guter Kontaktzustand zwischen den
Kollektoren 12 und der MEA 30 (insbesondere den
Kohlenstofftüchern CC) hergestellt. Eine Vielzahl auf diese
Weise ausgebildeter Zellen wird gemäß der benötigten
Ausgangsleistung übereinandergestapelt, wodurch sich ein
Brennstoffzellenstapel ergibt.
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Bei
dem auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellenstapel stehen,
wie in 1 gezeigt, unter den gestapelten Zellen die Gaseinlässe 11a der Separatorkörper 11 über
die Durchgangslöcher 21a und 22a der
Rahmen 20 miteinander in Verbindung, und stehen die Gasauslässe 11b der
Separatorkörper 11 über die Durchgangslöcher 11b und 22b der Rahmen 20 miteinander
in Verbindung. Auf diese Weise wird hiernach ein Kommunikationsdurchgang, der
von den Gaseinlässen 11a und den Durchgangslöchern 21a und 22b der
Rahmen 20 in jeder Zelle gebildet wird, als ein innerer
Gaszufuhrverteiler bezeichnet, und wird ein Kommunikationsdurchgang, der
von den Gasauslässen 11b und den Durchgangslöchern 21b und 22b der
Rahmen 20 in jeder Einheitszelle ausgebildet wird, als
innerer Gasauslassverteiler bezeichnet.
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Wenn
Brennstoffgas oder Oxidationsgas von außen über
den inneren Gaszufuhrverteiler zugeführt wird, wird zugeführtes
Brennstoffgas oder Oxidationsgas in die jeweiligen Gasflussräume
eingeführt. Das auf diese Weise eingeführte Brennstoffgas
oder Oxidationsgas wird dank dem Kollektor 12 gleichmäßig
verteilt und fließt durch den Gasflussraum.
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Insbesondere
fließt Gas, das in die jeweiligen Gasflussräume
eingeführt wird, vom inneren Gaszufuhrverteiler zum inneren
Gasauslassverteiler, während der Kollektor 12 kontaktiert
wird, der im Gasflussraum angeordnet ist. Wie schon zuvor erwähnt,
ist der Kollektor 12 aus dem Metallgitter MR ausgebildet,
in dem eine große Anzahl im Wesentlichen sechseckiger Durchlochungen
in einer maschenartigen, stufenförmigen Anordnung ausgebildet sind.
Insbesondere ist eine große Anzahl von Durchlochungen im
Kollektor 12 in einer versetzten Anordnung bezüglich
der Gasflussrichtung vorhanden.
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Auf
diese Weise wird in dem Gasfluss im Gasflussraum als ein Ergebnis
dessen, dass das Gas durch die in einer versetzten Anordnung im
Kollektor 12, d. h. im Metallgitter MR, ausgebildeten Durchlochungen
hindurch gelangt, eine turbulente Strömung erzeugt. Auf
diese Weise wird vom inneren Gaszufuhrverteiler eingeführtes
Gas gleichmäßig im Gasflussraum verteilt; mit
anderen Worten wird ein Gaskonzentrationsgefälle flach.
Dank dem flachen Gaskonzentrationsgefälle im Gasflussraum
und dem Durchgang des Gases durch das Kohlenstofftuch CC werden
Brennstoffgas und Oxidationsgas gleichmäßig an
die Anodenelektrodenschicht AE bzw. die Kathodenelektrodenschicht
CE geliefert.
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Darüber
hinaus ist, wie zuvor erwähnt, der Kollektor 12 aus
dem Metallgitter MR ausgebildet, dessen ausgebildete Dicke vergrößert
wird. Auf diese Weise kann, wie oben erwähnt, der Kollektor 12 eine
ausgezeichnete Gasverteilung sicherstellen und den Flusswiderstand,
d. h. den Druckabfall des Gases, das durch den Gasflussraum fließt,
verringern. Zusätzlich kann auch ein Widerstand im Zusammenhang
mit der Strömung des in den Gasflussraum durch die große
Anzahl gleichmäßig ausgebildeter Durchlochungen
mit kleinem Durchmesser eingeführten Gases ebenfalls verringert
werden. Auf diese Weise kann Gas gleichmäßig durch
den Gasflussraum fließen.
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Dank
der gleichmäßigen Verteilung des Gases und dem
gleichmäßigen Fluss des Gases durch den Gasflussraum
können die Anodenelektrodenschicht AE und die Kathodenelektrodenschicht
CE mit dem gelieferten Brennstoffgas bzw. Oxidationsgas wirkungsvoll
Elektrodenreaktionen durchführen. Hieraus ergibt sich,
dass die Brennstoffzelle einen beträchtlich verbesserten
Elektrodenreaktionswirkungsgrad aufweisen kann. Außerdem
wird, da das zugeführte Gas wirkungsvoll gebraucht werden
kann, die Menge unreagierten Gases verringert. Deshalb kann die
Brennstoffzelle effizient Elektrizität erzeugen.
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Währenddessen
wird Elektrizität, die dank der Verbesserung des Elektrizitätserzeugungswirkungsgrads
der Brennstoffzelle wirkungsvoll erzeugt wird, über die
Kollektoren 12 und die Separatorkörper 11 aus
der Brennstoffzelle herausgeleitet. Im Kollektor 12 ist
eine große Anzahl von Durchlochungen kleinen Durchmessers
ausgebildet und ist der Abstand zwischen den Verbindungsteilen,
d. h. der Maschenabstand P, klein. Deshalb ist die Fläche
pro Volumenseinheit, d. h. die Kontaktfläche mit der MEA 30, groß.
Dank der großen Kontaktfläche mit der MEA 30 kann
ein im Zusammenhang mit der Sammlung der in der MEA 30 erzeugten
Elektrizität auftretender Widerstand (Elektrizitätssammelwiderstand)
beträchtlich verringert werden. Deshalb kann die erzeugte Elektrizität
wirkungsvoll gesammelt werden, d. h. der Elektrizitätssammelwirkungsgrad
kann verbessert werden.
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In
der MEA 30, die einen Teil der Polymerelektrolytbrennstoffzelle
bildet, wird, wie wohl bekannt ist, als ein Ergebnis von Elektrodenreaktionen,
die Brennstoffgas und Oxidationsgas verwenden, in der Anodenelektrodenschicht
AE oder der Kathodenelektrodenschicht CE Wasser erzeugt. Insbesondere wird
zum Beispiel in dem Fall, in dem die Elektrolytmembran EF der MEA 30 aus
einer für Kationen selektiv permeablen Ionenaustauschmembran
gebildet ist, in der Kathodenelektrodenschicht CE gemäß den folgenden
Reaktionsformeln 1 und 2 Wasser erzeugt. Anodenelektrodenschicht: H2 → 2H+ + 2e– Reaktionsformel 1 Kathodenelektrodenschicht: 2H+ +
2e– + (1/2)O2 → H2O Reaktionsformel
2
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Außerdem
wird zum Beispiel in dem Fall, in dem die Elektrodenmembran EF der
MEA 30 aus einer für Anionen selektiv permeablen
Austauschmembran gebildet ist, in der Anodenelektrodenschicht AE gemäß den
folgenden Reaktionsformeln 3 und 4 Wasser erzeugt. Anodenelektrodenschicht: H2 +
2OH– → 2H2O
+ 2e– Reaktionsformel 3 Kathodenelektrodenschicht: (1/2)O2 +
H2O + 2e– → 2OH– Reaktionsformel
4
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Wenn
gemäß den oben angegebenen Formeln in der Anodenelektrodenschicht
AE oder der Kathodenelektrodenschicht CE Wasser in großer Menge
erzeugt wird, kann es dazu kommen, dass die Zufuhr von Brennstoffgas
oder Oxidationsgas behindert wird; d. h. es kann zu einem Flutungszustand kommen.
Beim Auftreten des Flutungszustands bedeckt das erzeugte Wasser
die Oberfläche der Anodenelektrodenschicht AE oder der
Kathodenelektrodenschicht CE und gelangt auch durch das Kohlenstofftuch
CC, wodurch es den Kollektor 12 erreicht.
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Währenddessen
ist der Kollektor 12 so konfiguriert, dass der Winkel zwischen
der Ausbildungsrichtung der Verbindungsteile und der Ausbildungsrichtung
der Durchlochungsausbildungsteile zum Bilden der Durchlochungen
kleiner als 90 Grad ist; mit anderen Worten ist der Maschenabstand
klein, so dass die Durchlochungen einen steilen Anstellwinkel haben.
Auf diese Weise sind zum Beispiel im Vergleich mit dem Fall der
Ausbildung des Kollektors 12 aus dem Metallgitter SMR die
nacheinander ausgebildeten Durchlochungen bezüglich einer
Gasfließrichtung näher beieinander angeordnet.
Wenn das erzeugte Wasser die Nähe der nahe beieinander
angeordneten Durchlochungen mit kleinem Durchmesser erreicht, wird
dank des Drucks des durch die Durchlochungen gelangenden Gases und
der Kapillarwirkung das erzeugte Wasser, das den Kollektor 12 erreicht
hat, gut nach außen abgeleitet.
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Insbesondere
ist bei dem aus dem Metallgitter MR gebildeten Kollektor 12 der
Maschenabstand P klein; auf diese Weise ist eine größere
Anzahl der Ebenen der Öffnungen der ausgebildeten Durchlochungen
in Kontakt mit der MEA 30 (spezifischer mit dem Kohlenstofftuch
CC). Auf diese Weise bewegt sich das erzeugte Wasser, das den Kollektor 12 erreicht
hat, durch die Kapillarwirkung, die durch seine Oberflächenspannung
bewirkt wird, flüssig zu den Innenräumen der Durchlochungen.
Zusätzlich zur flüssigen Bewegung des erzeugten
Wassers wirkt auch der Druck des durch den Gasflussraum fließenden Gases
auf das erzeugte Wasser. Auf diese Weise wird das erzeugte Wasser,
das den Kollektor 12 erreicht hat, auf dem Strom eines
Teils des unreagierten Gases aus dem Brennstoffzellenstapel herausgeleitet.
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Aufgrund
des oben erwähnten Herausleitens des erzeugten Wassers,
das den Kollektor 12 erreicht hat, erreicht zum Beispiel überschüssiges Wasser,
bei dem es sich um den Rest des erzeugten Wassers handelt, das nach
dem Verbrauch zum Befeuchten der Elektrolytmembran EF in der Nähe
der Anodenelektrodenschicht AE oder der Kathodenelektrodenschicht
CE vorhanden ist, die Nähe des Kollektors 12 fortlaufend über
das Kohlenstofftuch CC und wird dann abgeleitet. Ein solches Ableiten
des erzeugten Wassers wird während des Betriebs der Brennstoffzelle,
mit anderen Worten, solange Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt
werden, fortlaufend durchgeführt.
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Deshalb
sammelt sich während des Betriebs der Brennstoffzelle dank
der Kapillarwirkung im Kollektor 12 und dem Strömen
des Brennstoffgases oder Oxidationsgases das erzeugte Wasser nicht
im Kollektor 12. Außerdem sammelt sich auch überschüssiges
erzeugtes Wasser nicht in der Anodenelektrodenschicht AE oder der
Kathodenelektrodenschicht CE. Deshalb kann das Auftreten eines Flutungszustandes
sicher verhindert werden. Da während des Betriebs der Brennstoffzelle
das erzeugte Wasser fortwährend aus dem Brennstoffzellenstapel
herausgeleitet wird, kann die Menge des erzeugten Wassers, das nach
Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle in den einzelnen Zellen,
spezifischer in den Anodenelektrodenschichten AE oder den Kathodenelektrodenschichten
CE und in den Kollektoren 12, verbleibt, beträchtlich
verringert werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel, selbst wenn
die Brennstoffzelle in einer Umgebung installiert wird, die tiefen Temperaturen
(0°C oder tiefer) ausgesetzt ist, ein Abfallen der Gaszufuhr,
das sonst durch Einfrieren des erzeugten Wassers bewirkt würde,
verhindert werden, so dass die Brennstoffzelle eine gute Kaltstartleistung
aufweisen kann.
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Wie
aus der oben gegebenen Beschreibung hervorgeht, kann gemäß der
vorliegenden Ausführungsform der Kollektor 12 aus
dem Metallgitter MR bestehen, in dem eine große Anzahl
von Durchlochungen mit kleinem Durchmesser in einer maschenartigen,
stufenförmigen Anordnung ausgebildet sind. Auf diese Weise
kann Brennstoffgas oder Oxidationsgas, das durch den Separatorkörper 11 getrennt ist,
gut verteilt werden und an die Anodenelektrodenschicht AE oder die
Kathodenelektrodenschicht CE geliefert werden. Das Metallgitter
MR wird in einer solchen Weise hergestellt, dass der Winkel zwischen der
Ausbildungsrichtung der Fadenteile und der Ausbildungsrichtung der
Knotenteile ungefähr 60 Grad wird. Auf diese Weise kann,
wenn der Kollektor 12 zwischen der MEA 30 und
dem Separatorkörper 11 angeordnet wird, die Öffnungsebene
einer jeden der Durchlochungen einen großen Winkel bezüglich
der MEA 30 oder dem Separatorkörper 11 haben
(d. h. die Durchlochungen können sozusagen in einem steilen
Anstellwinkel angeordnet sein).
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Auf
diese Weise kann zum Beispiel, wenn die Durchlochungen des Metallgitters
MR im Durchmesser identisch mit den Durchlochungen des Metallgitters
SMR gemacht werden, die Dicke des Kollektors 12 vergrößert
werden. Mit anderen Worten kann, selbst wenn das Metallgitter MR
mit derselben Vorschubstrecke und demselben Durchlochungsdurchmesser
als diejenigen des herkömmlicherweise hergestellten Metallgitters
SMR ausgebildet wird, der aus dem Metallgitter MR gebildete Kollektor 12 eine größere
Dicke haben. Dank einer Vergrößerung der Dicke
des Kollektors 12 kann ein Druckabfall im Zusammenhang
mit dem Fluss des Gases verringert werden, wodurch eine ausreichende
Gaszufuhrleistung bezüglich der Zufuhr von Brennstoffgas
und Oxidationsgas, die für die Elektrodenreaktionen in
der MEA 30 benötigt werden, sichergestellt wird.
Deshalb kann der Elektrizitätserzeugungswirkungsgrad der
Brennstoffzelle beträchtlich verbessert werden.
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Durch
das Ausbilden des Kollektors 12 aus dem Metallgitter MR
kann der Abstand zwischen Knotenteilen, d. h. der Maschenabstand
P, im Kollektor 12 verringert werden. Mit anderen Worten
können die Durchlochungen des Kollektors 12 nahe
beieinander angeordnet werden. In einem Zustand, in dem die Durchlochungen
einander nahe sind, macht, wenn durch Elektrodenreaktionen erzeugtes
Wasser die Nähe des Kollektors 12 erreicht, die
Kapillarwirkung, die an den Durchlochungen auftritt, das erzeugte
Wasser flüssiger. Außerdem wirkt in einem Zustand,
in dem Brennstoffgas oder Oxidationsgas fließt, zusätzlich
zur Kapillarwirkung der Druck des strömenden Gases auf
das erzeugte Wasser. Auf diese Weise kann das erzeugte Wasser zusammen mit
einem Teil des unreagierten Gases wirkungsvoll aus der Bennstoffzelle
heraus abgeleitet werden. Demnach kann selbst in einem Zustand,
in dem Wasser gleichzeitig mit den fortschreitenden Elektrodenreaktionen
erzeugt wird, das erzeugte Wasser gut abgeleitet werden. Deshalb
kann dadurch, dass das Auftreten einer Flutung verhindert wird,
eine gute Gaszufuhrleistung aufrechterhalten werden, wodurch ein
Abfall des Wirkungsgrads der Erzeugung von Elektrizität
der Brennstoffzelle verhindert werden kann.
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Darüber
hinaus können, da der Maschenabstand P im Kollektor 12 verringert
werden kann, Kontakte zwischen der MEA 30 (spezifischer
der Anodenelektrodenschicht AE oder der Kathodenelektrodenschicht
CE, noch spezifischer des Kohlenstofftuchs CC) oder dem Separatorkörper 11 und
den Knotenteilen des Kollektors 12 dicht beieinanderliegend
gestaltet werden. Auf diese Weise kann der Kollektor 12 durch
Elektrodenreaktionen erzeugte Elektrizität wirkungsvoll
sammeln und ausgeben.
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Außerdem
können insbesondere die dicht beieinanderliegenden Kontakte
zwischen der MEA 30 und dem Kollektor 12 eine
Verformung der MEA 30 beträchtlich verringern,
deren Substrat eine dünne Elektrolytmembran EF ist. Auf
diese Weise kann eine mechanische Last, die an die MEA 30 angelegt
wird, beträchtlich verringert werden, wodurch eine Verschlechterung
des Zustands der MEA 30 verhindert wird, die sonst von
dem Anliegen der mechanischen Last herrühren würde.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
eingeschränkt, sondern kann auch in verschiedenen anderen
Formen umgesetzt werden, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung
abgewichen wird.
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Zum
Beispiel haben in der oben beschriebenen Ausführungsform
die im Kollektor 12 (Metallgitter MR) ausgebildeten Durchlochungen
im Wesentlichen eine sechseckige Form. Der Form der im Kollektor 12 (Metallgitter
MR) ausgebildeten Durchlochungen ist jedoch keine bestimmte Einschränkung auferlegt,
solange Brennstoffgas oder Oxidationsgas durch diese hindurch gelangen
können. Zum Beispiel können, wie in den 9(a) und 9(b) gezeigt,
die Durchlochungen auch eine polygonale Öffnungsform, wie
zum Beispiel eine viereckige (rautenförmige) Öffnungsform,
oder eine fünfeckige Öffnungsform haben. In diesem
Fall, insbesondere in dem Fall der Ausbildung von Durchlochungen
mit einer viereckigen (rautenförmigen) Öffnungsform
kann die obere Klinge UH, die als ein Scherstempel dient, eine Vielzahl
im Wesentlichen dreieckiger Schneidkanten aufweisen, die in vorbestimmten
Intervallen ausgebildet sind.
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Gemäß der
oben beschriebenen Ausführungsform wird bei der Herstellung
einer einzelnen Zelle, nachdem der Kollektor 12 in den
jeweiligen Aufnahmeöffnungenn 21c und 22c des
Rahmens 20 gelegt ist, der Separatorkörper 11 mit
den jeweiligen Harzplattenkörpern 21 und 22 zusammengesetzt. Eine
einzelne Zelle kann jedoch auch wie folgt gebildet werden: Nachdem
die Separatorkörper 11 und die Kollektoren 12 durch
einen Metallfügevorgang jeweils zusammengefügt
wurden, werden die Kollektoren 12 in die jeweiligen Aufnahmeöffnungen 21c und 22c des
Rahmens 20 gelegt, und die Separatorkörper 11 werden
mit den entsprechenden Harzplattenkörpern 21 und 22 zusammengesetzt.
In diesem Fall können der Separatorkörper 11 und
der Kollektor 12 durch einen wohlbekannten Vorgang wie
zum Beispiel Hartlöten, Schweißen oder Diffusionsschweißen,
zusammengefügt werden.
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Zusammenfassung
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Ein
Separator 10 weist einen Separatorkörper 11 und
einen Kollektor 12 auf. Der Separatorkörper 11 verhindert
einen gemischten Fluss von Brennstoffgas und Oxidationsgas. Der
Kollektor 12 ist aus einem Metallgitter MR ausgebildet,
bei dem der Winkel zwischen der Ausbildungsrichtung der Fadenteile (Durchlochungsausbildungsteile)
zum Ausbilden von Durchlochungen in einer maschenartigen, stufenförmigen
Anordnung und der Ausbildungsrichtung von Knotenteilen (Verbindungsteilen)
zum Verbinden der Fadenteile miteinander ungefähr 60 Grad
beträgt. Hierdurch kann die Dicke des Kollektors 12 durch eine
Verringerung des Maschenabstands P vergrößert
werden. Auf diese Weise wird durch eine Verringerung des Druckabfalls
des eingeführten Gases eine gute Gaszufuhrleistung sichergestellt,
außerdem kann in einer MEA 30 erzeugtes Wasser
durch Kapillarwirkung, die in den Durchlochungen auftritt, gut abgeleitet
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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