DE102004022969A1

DE102004022969A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004022969A1
Application number: DE102004022969A
Authority: DE
Inventors: Toshiya Wako Wakahoi; Junichi Wako Sato
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2004-12-09
Also published as: JP4109570B2; JP2004335306A; US7674550B2; US20040224212A1

Abstract

Ein erstes Dichtungselement 50 ist mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 18 integriert und ist mit einem Körperbasisabschnitt 58 trapezförmigen Querschnitts und mit zwei vorstehenden Abschnitten 60a und 60b versehen, die mit dem Außenende des Körperbasisabschnitts 58 integriert sind, wobei der Körperbasisabschnitt 58 auf ein Höhe H1 eingestellt ist, um die gewünschte Federkonstante zu halten, die für Stoßabsorptionen erforderlich ist, und die vorstehenden Abschnitte 60a und 60b auf eine Höhe H2 eingestellt sind, um zu verhindern, dass sich der Liniendruck des Dichtungselements abrupt ändert, und um die Festigkeiten der vorstehenden Abschnitte 60a und 60b selbst einzuhalten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die aufgebaut ist aus einer Elektrodenstruktur, die ein zwischen einem Paar von Elektroden angeordnetes Elektrolyt aufweist, und Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur gestapelt sind und Reaktionsgaspassagen zum Speisen des Reaktionsgases in der Oberflächenrichtung der Elektroden enthalten, wobei das Reaktionsgas von den Reaktionsgaseinführverbindungslöchern zu den Reaktionsgasausführverbindungslöchern geliefert wird, deren Gasstrom sich zumindest in der Stapelrichtung erstreckt.

Beschreibung der verwandten Technik

Zum Beispiel ist in einer Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur angeordnet, in der eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an beiden Seiten eines Elektrolyts (oder einer Elektrolytmembrane), die aus einer Polymerionenaustauschmembrane (oder einer Anodenionenaustauschmembrane) hergestellt ist, nebeneinander liegen, und die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur ist durch die Separatoren eingeklemmt. Die Brennstoffzelle dieser Art wird als Brennstoffzellenstapel angewendet, in dem mehrere Sätze für Elektrolyt-/Elektrodenstruktur und der Separatoren in einer vorbestimmten Anzahl gestapelt sind.

In dieser Brennstoffzelle wird von dem Brenngas, das der Anodenelektrode zugeführt wird, wie etwa ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes Gas (wird auch das „wasserstoffhaltige Gas" genannt), der Wasserstoff an einen Elektrodenkatalysator ionisiert, so dass die Wasserstoffionen durch das Elektrolyt zu der Kathodenelektrode hin wandern. Die während des Prozesses erzeugten Elektronen werden durch eine externe Schaltung abgenommen, um als elektrische Gleichstromenergie genutzt zu werden. Weil darüber hinaus der Kathodenelektrode ein Oxidationsgas zugeführt wird, wie etwa ein hauptsächlich sauerstoffhaltiges Gas oder Luft (wird auch das „sauerstoffhaltige Gas" genannt), werden die Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff miteinander reagiert, um an der Kathodenelektrode Wasser zu erzeugen.

In der Brennstoffzelle dieser Art ist es erforderlich, dass das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel luftdicht und flüssigkeitsdicht entlang ihren entsprechend zugewiesenen Passagen fließen. Daher werden gewöhnlich verschiedene Dichtungselemente zwischen der Elektrolyt-/Elektrodenstruktur und den Separatoren angeordnet. Zum Beispiel ist das Dichtungselement der Patentschrift 1, wie in 9 gezeigt, derart strukturiert, dass eine Basisdichtung 1, die aus einem elastischen Material eines Synthetikgummimaterials oder Kunstharzmaterials mit einer hohen Härte von 70 Grad bis 90 Grad hergestellt ist, und dass Dichtungen 2 aus Synthetikgummimaterial mit niedriger Härte von 30 Grad bis 50 Grad auf den Kompressionsflächen der Basisdichtung 1 angeordnet sind.

Jedoch werden gemäß der Patentschrift 1 die Dichtungselemente zwischen den Separatoren zusammengebaut, so dass die Anzahl der Montageschritte erhöht ist, was zu schlechteren Arbeitseigenschaften führt, zusätzlich zu der beträchtlichen Schwierigkeit, die Dichtungselemente auszurichten. Weil darüber hinaus jedes Dichtungselement zumindest zwei Sätze von Dichtungselementen auf den beiden Seiten benötigt, entsteht auch ein kompliziertes strukturelles Problem.

In dem Herstellungsverfahren eines Separators vom integralen Dichtungstyp der Patentschrift 2 ist zum Beispiel ein Verfahren offenbart, worin die Dichtungselemente auf Elektrodenreaktionsoberflächen oder Außenoberflächen der Verbindungslöcher angeordnet werden, die mit den beiden Seiten des separaten Körpers der Brennstoffzelle integriert sind.

Die Patentschrift 2 ist effizient, weil sie ermöglicht, dass die Dichtungselemente präzise ausgerichtet werden und die Anzahl der Montageschritte signifikant reduziert werden kann, im Vergleich zu den Fällen der Dichtungselemente, die auf beiden Seiten des separaten Körpers angeordnet werden, oder der vorgezogenen Beschichtung des Dichtungsmaterials.

[Patentschrift 1] JP-A-2001-332276 (Abs. [0006], Fig. 1)
[Patentschrift 2] JP-A-2002-237317 (Abs. [0012], 6)

Was die Dichtungselemente betrifft, die allgemein in der herkömmlichen Technik verwendet werden, sind sie bergspitzenförmig ausgebildet (d. h. lippenförmig). Obwohl daher die Dichtungselemente mit dem separaten Körper integriert werden, wie in der Patentschrift 2 offenbart ist, können im Falle der Montage einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug die Dichtungseigenschaften evtl. schlechter werden.

Insbesondere könnten die Außenendabschnitte der Dichtungselemente durch die während der Fahrzeit erzeugten Vibrationen oder die durch abruptes Stoppen oder Anfahren des Fahrzeugs hervorgerufenen Stöße verlagert werden. Unter diesen Umständen wird es schwierig, die gewünschten Dichtungseigenschaften beizubehalten, weil die zufriedenstellende Kontaktfläche nicht hergestellt wird. Wenn die Metallseparatoren verwendet werden, kann insbesondere auf den Oberflächen der Metallseparatoren das Verformen, Verwerten oder Aufwölben leicht auftreten. Jedoch können die Außenendabschnitte der Dichtungselemente auf die Oberflächenveränderungen der Metallseparatoren nicht richtig eingestellt werden, wodurch ein Problem entstehen könnte, dass der Dichtungsoberflächendruck, der für die Abdichtungsfunktion mit den Separatoroberflächen erforderlich ist, nicht erhalten werden kann.

Wenn darüber hinaus der Stapel durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen hergestellt werden soll, könnte an den Außenendabschnitten der Dichtungselemente leicht eine Verlagerung auftreten. Im Ergebnis könnte es passieren, dass die Außenendabschnitte der Dichtungselemente abfallen; der Oberflächendruck sinkt, die Kontaktfläche verkleinert wird oder dergleichen, und dies macht es extrem schwierig, die gewünschten Dichtungseigenschaften zu halten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist durchgeführt worden, um die Probleme der oben genannten Arten zu lösen, und es ist eine Aufgabe in dieser Erfindung eine Brennstoffzelle anzugeben, die die Dichtungseigenschaften zwischen einem Dichtungselement und einem Separator mit einer einfachen Struktur zuverlässig hält, um eine gewünschte Leistung der Stromerzeugung der Brennstoffzelle zu erhalten.

Gemäß den ersten und zweiten Aspekten der Erfindung sind die Separatoren mit Dichtungselementen zum Abdecken zumindest der Umgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher integriert, und die Dichtungselemente enthalten: Körperbasisabschnitte mit einem trapezförmigen Querschnitt; sowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte, die mit den Außenenden der Körperbasisabschnitte integriert sind.

Auf diese Weise sind die Dichtungselemente mit den Separatoren derart integriert, so dass durch Abdichtung nur der einzigen Oberfläche eine Abdichtung zuverlässig erreicht werden kann. Im Vergleich zu der Struktur der Dichtungselemente, die auf beiden Seiten der Separatoren vorgesehen sind, kann die Montagearbeit und der Ausrichtungszustand signifikant verbessert werden.

Darüber hinaus ist das Dichtungselement an dem Außenende des Körperbasisabschnitts mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte versehen, so dass seine Kontaktfläche größer gemacht werden kann als der der Einzellippenformen der verwandten Technik, was es möglich macht, die gewünschten Dichtungseigenschaften zu halten. Darüber hinaus sind die einzelnen vorstehenden Abschnitte relativ verformbar gemacht, so dass sie Höhenfluktuationen des Dichtungselements leicht folgen können, um die gewünschten Dichtungseigenschaften mit der einfachen Struktur zu halten. Daher kann die zufriedenstellende Dichtungsleistung auch insbesondere auf das intrinsische Phänomen erhalten werden, dass sich die ersten und zweiten Metallseparatoren aufgrund des Gasdrucks in der Brennstoffzelle verformen oder sich die Oberfläche verwirft, aufwölbt oder verformt. Darüber hinaus haben die einzelnen gestapelten Stromerzeugungszellen eine verbesserte Stabilität gegenüber einer Verlagerung, so dass sie zuverlässig aneinander gehalten werden können.

Zusätzlich können die einzelnen vorstehenden Abschnitte leicht verformt werden, um den richtigen Dichtungsoberflächendruck oder Dichtungsliniendruck, etwa ausgedrückt durch Last pro Fläche (kg/m²) bzw. Last pro Linienlänge, auf den Dichtungsabschnitt auszuüben, so dass ein etwaiger übermäßiger Dichtungsoberflächendruck nicht erzeugt werden kann. Daher kann die Oberflächendruckverteilung in der Elektrodenoberfläche, richtig gehalten werden, um effizient zu verhindern, dass die verschiedenen Komponenten einschließlich der Elektrolyt-/Elektrodenstruktur beschädigt werden.

Darüber hinaus ist der Körperbasisabschnitt zu dem trapezförmigen Querschnitt ausgebildet, so dass die Federkonstante vergrößert werden kann, um die gewünschte Festigkeit (oder Zähigkeit) des Dichtungselements selbst zu verbessern. Wenn die Brennstoffzelle zur Verwendung an dem Fahrzeug gestapelt wird, ist es daher möglich, die Festigkeit als Strukturkörper für das Fahrzeug und die gewünschten Dichtungseigenschaften zu halten und die Beständigkeiten gegen Vibrationen und Stöße zu verbessern.

In dem Zustand, wo die vorstehenden Abschnitte in Kontakt mit dem Dichtungselement gepresst werden, kann aufgrund der integralen Ausbildung mit dem Körperbasisabschnitt darüber hinaus der Vorderendabschnitt des Dichtungselements einer Verlagerung des Dichtungselements in der Oberflächenrichtung davon (oder der Querrichtung) folgen. Auch wenn Vibrationen oder Stöße ausgeübt werden, können die gewünschten Dichtungeigenschaften zuverlässig gehalten werden.

In der Brennstoffzelle gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung sind darüber hinaus die Separatoren mit Dichtungselementen integriert, um zumindest die Umgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und die Dichtungelemente enthalten Körperbasisabschnitte mit einem trapezförmigen Querschnitt und bogenförmige Vorderendabschnitte, die mit einer vorbestimmten Krümmung mit den Außenenden der Körperbasisabschnitte integral hergestellt sind, und wobei das Material stärker verformbar ist oder weicher ist als das, welches zur Bildung der Körperbasisabschnitte verwendet wird.

Im Vergleich zu der Einzellippenform vom Stand der Technik kann daher die Kontaktfläche mit den Dichtungselementen vergrößert werden, um die gewünschten Dichteigenschaften zu halten. Darüber hinaus sind die bogenförmigen Vorderendabschnitte relativ derart verformbar, dass sie den Höhenfluktuationen der Dichtungselemente leicht folgen können, um hierdurch zu verhindern, dass die gewünschten Dichtungseigenschaften schlechter werden, und um den richtigen Dichtungsoberflächendruck (oder den Dichtungsliniendruck) auf die Dichtungsabschnitte auszuüben.

Darüber hinaus können die Körperbasisabschnitte die Stabilität der Dichtungselemente selbst verbessert und können zusammengedrückt werden, wenn Vibrationen, Stöße usw. darauf einwirken, um zu verhindern, dass sich zwischen den gestapelten Stromerzeugungszellen ein Spalt bildet.

In der Brennstoffzelle gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung sind darüber hinaus die Separatoren aus Metallplatten wellenförmigen Querschnitts hergestellt, so dass die Dicke der Separatoren leicht reduziert werden kann.

In der Brennstoffzelle gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung sind ferner die bogenförmigen Vorderendabschnitte mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte versehen, um hierdurch die Dichtungseigenschaften zu verbessern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht eines wesentlichen Abschnitts einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels, der die gestapelten Brennstoffzellen aufweist;
3 ist ein erläuternder Querschnitt eines Dichtungselements als Teil der Brennstoffzelle;
4 ist eine Querschnittsansicht des Dichtungselements bei dessen Betrieb;
5 ist ein Querschnitt eines lippenförmigen Abschnitts eines Dichtungselements der verwandten Technik zum Vergleich;
6 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Beziehungen zwischen einer Verlagerung und einem Dichtungsliniendruck zwischen dem Vergleich und der Ausführung aufzeigt;
7 ist ein erläuternder Querschnitt eines Dichtungselements, das für eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird;
8 ist ein erläuternder Querschnitt eines Dichtungselements, das für eine Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung verwendet wird; und
9 ist ein erläuternder Querschnitt eines Dichtungselements gemäß der verwandten Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
1 ist eine Perspektivansicht eines wesentlichen Abschnitts einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung und 2 ist eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels 12, wo die Brennstoffzellen 10 gestapelt sind.
Wie in 2 gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 12 eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 10 auf, die in Richtung von Pfeil A gestapelt sind, wobei Endplatten 14a und 14b an beiden Enden der Stapelrichtung angeordnet sind. Die Endplatten 14a und 14b sind durch Koppelstangen (nicht gezeigt) befestigt, so dass eine vorbestimmte Befestigungslast auf die gestapelten Brennstoffzellen 10 in der Richtung von Pfeil A ausgeübt werden kann.
Wie in 1 gezeigt, ist die Brennstoffzelle 1 strukturiert, indem eine Membranelektrodenanordnung (oder eine Elektrolyt-Elektrodenstruktur) 16 mit den dazwischen eingeklemmten ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 nebeneinander angeordnet wird. Diese ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 können z. B. aus Stahlblech, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, plattierten Stahlblechen oder Metallblechen, deren Metalloberflächen zur Korrosionshemmung behandelt sind, hergestellt sein, wobei die Dicke von 0,05 bis 1,0 mm gegeben ist. Hier können die ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 auch durch aus Kohlenstoff hergestellte Separatoren ersetzt werden.
Am einen Endrandabschnitt der Brennstoffzelle 10 in der Richtung von Pfeil B (oder in der horizontalen Richtung von 1) sind vorgesehen: ein Oxidationsgaseingangsverbindungsloch (oder Reaktionsgaseinführverbindungsloch 30a zum Zuführen eines Oxidationsgases wie etwa eines sauerstoffhaltigen Gases; ein Kühlmittelausgangsverbindungsloch (oder Kühlmittelausführverbindungsloch) 32b zum Abführen eines Kühlmittels; sowie ein Brenngasausgangsverbindungsloch (oder ein Reaktionsgasausführverbindungsloch) 34b zum Ausführen eines Brenngases wie etwa eines wasserstoffhaltigen Gases. Dieses Oxidationsgaseinführverbindungsloch 30a, Kühlmittelausführverbindungsloch 32b und Brenngasausführverbindungsloch 34b sind so hergestellt, dass sie in der Brennstoffzellenstruktur in der Stapelrichtung von Pfeil A hindurch in Verbindung stehen.
Hingegen sind am anderen Endrandabschnitt in der Brennstoffzelle 10 in Richtung von Pfeil B, in Richtung von Pfeil C vorgesehen: ein Brenngaseingangsverbindungsloch (oder ein Reaktionsgaseinführverbindungsloch) 34a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmitteleingangsverbindungsloch (oder Kühlmitteleinführverbindungsloch) 32a zum Zuführen des Kühlmittels sowie ein Oxidationsgasausgangsverbindungsloch (oder Reaktionsgasausführverbindungsloch) 30b zum Ausführen des Oxidationsgases in einer Weise, um jedem von diesen eine Verbindung in der Richtung von Pfeil A zu gestatten.
Die Membranelektrodenanordnung 16 ist z. B. mit einer Festpolymer elektrolytmembrane 36 versehen, hergestellt aus einer mit Wasser imprägnierten Perfluorsulfonsäuremembran, sowie einer Anodenelektrode 38 und einer Kathodenelektrode 40, die die Festpolymerelektrolytmembrane 36 einklemmen.
Die Anodenelektrode 36 und die Kathodenelektrode 40 sind versehen mit einer Gasdiffusionsschicht, die aus Kohlenstoffpapier oder dergleichen hergestellt ist, und einer Elektrodenkatalysatorschicht, die durch gleichmäßiges Beschichten der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht mit porösen Kohlenstoffpartikeln gebildet ist, welche eine Platinlegierung darauf tragen. Die Elektrodenkatalysatorschicht ist mit beiden Seiten der Festpolymerelektrolytbrenane verbunden.
Der erste Metallseparator 18 ist auf seiner Oberfläche 18a an der Seite der Elektrolytmembranelektrodenanordnung 16 mit einer Oxidationsgaspassage (oder Reaktionsgaspassage) 42 versehen, die sich z. B. linear in der Richtung von Pfeil B erstreckt. Andererseits ist, wie in 1 und 2 gezeigt, der zweite Metallseparator 20 auf seiner Oberfläche 20a an der Seite der Elektrolytmembranelektrodenanordnung 16 mit einer Brenngaspassage (oder Reaktionsgaspassage) 44 versehen, die mit dem Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und dem Brenngasausgangsverbindungsloch 34b in Verbindung steht und sich in Richtung von Pfeil B linear erstreckt.
Zwischen der Oberfläche 18b des ersten Metallseparators 18 und der Oberfläche 20b des zweiten Metallseparators 20 ist eine Kühlmittelpassage 46 ausgebildet, um das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a mit dem Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b zu verbinden. Diese Kühlmittelpassage 46 erstreckt sich linear in der Richtung von Pfeil B.
Ein erstes Dichtungselement 50 ist mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 18 integriert, um die Kathodenelektrode 40 dort abzudecken, wo die Oxidationsgaspassage 42, das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und das Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b angeordnet sind. Das erste Dichtungselement 50 kann aus einem Dichtungsmaterial, einem Dämpfmaterial oder einem Packungsmaterial aus EPDM, NBR, Fluorgummi, Silicongummi, Phlorosilicongummi, Butylgummi, Naturgummi, Stylengummi, Chloropren- oder Acrylgummi hergestellt sein, und ist so eingestellt, dass es eine Härte im Bereich von 30 Grad bis 60 Grad hat.
Das erste Dichtungselement 50 ist integral oder separat mit Dichtungsabschnitten 52a und 52b versehen, um das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a und das Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b von der Oxidationsgaspassage 42 abzuschirmen, sowie Dichtungsabschnitten 54a und 54b, um das Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungsloch 34b von der Oxidationsgaspassage 42 abzuschirmen.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist das erste Dichtungselement 50 mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 18 integriert, und das erste Dichtungselement enthält einen Körperbasisabschnitt 58 mit einem trapezförmigen Querschnitt, sowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte 60a und 60b, so dass sie mit dem Außenende des Körperbasisabschnitts 58 integriert sind. Hier kann dem Körperbasisabschnitt 58 während der Gießzeit ein kleiner Teilungsgradient gegeben werden.
Wie in 3 gezeigt, ist der Körperbasisabschnitt 58 so eingestellt, dass er eine Höhe H1 hat, um eine zur Stoßabsorption erforderliche Federkonstante zu halten, während die vorstehenden Abschnitte 60a und 60b so eingestellt sind, dass sie eine Höhe H2 haben, um eine abrupte Änderung im Liniendruck (oder Dichtliniendruck) des Dichtungsabschnitts zu vermeiden sowie auch die Stabilität der vorstehenden Abschnitte 60a und 60b selbst zu halten. Um eine Belastungskonzentration an der Grenze des Körperbasisabschnitts 58 zu verhindern, ist der Grenzbereich so geformt, dass er einen Krümmungsradius R1 hat, der innerhalb eines Bereichs von 0,3 mm bis 1,0 mm eingestellt ist.
Ein zweites Dichtungselement 62 ist mit der Oberfläche 18b des ersten Metallseparators 18 integriert, wie in 1 und 2 gezeigt, um die Kühlmittelpassagen 46, das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a und das Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b abzudecken. Dieses zweite Dichtungselement 62 ist integral oder separat mit Dichtungsabschnitten 64a und 64b versehen, um das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und das Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b von der Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen, sowie mit Dichtungsabschnitten 66a und 66b, um das des Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungslochs 34b von der Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen. Das zweite Dichtungselement 62 ist so ausgebildet, dass es einen rechteckigen Querschnitt hat.
Ein drittes Dichtungselement 68 ist mit der Oberfläche 20b des zweiten Metallseparators 20 integriert, um die Kühlmittelpassage 46, das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a um das Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b abzudecken. Dieses dritte Dichtungselement 68 ist mit Dichtungsabschnitten 70a und 70b versehen, um das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und das Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b von der Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen, sowie mit Dichtungsabschnitten 72a und 72b, um das Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungsloch 34b von der Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen.
Dieses dritte Dichtungselement 68 ist in der gleichen Weise wie das erste Dichtungselement 50 strukturiert und ausgebildet, dessen detailierte Beschreibung weggelassen wird, aber ihre gemeinsamen Komponenten mit gemeinsamen Bezugszahlen bezeichnet sind.
Ein viertes Dichtungselement 74 ist mit der Oberfläche 20a des zweiten Metallseparators 20 integriert, um die Anodenelektrode 38 abzudecken, in anderen Worten die Brenngaspassage 44, das Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungsloch 34b. Dieses vierte Dichtungselement 74 ist mit Dichtungsabschnitten 76a und 76b versehen, um das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und das Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b von der Brenngaspassage 34 abzuschirmen, und mit Dichtungsabschnitten 78a und 78b, um das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a und das Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b von der Brenngaspassage 34 abzuschirmen. Dieses vierte Dichtungselement 74 ist so ausgebildet, dass es einen rechteckigen Querschnitt hat, wie bereits für das zweite Dichtungselement 62 erläutert wurde.
Nachfolgend werden die Funktionen der Brennstoffzelle 10 beschrieben, die in der oben erwähnten so strukturierten Weise hergestellt ist.
Zuallererst wird wie in 1 gezeigt, dem Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a ein Oxidationsgas wie etwa ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, und dem Brenngaseingangsverbindungsloch 34a wird ein Brenngas wie etwa ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Darüber hinaus wird dem Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a ein Kühlmittel, wie etwa reines Wasser, Ethylenglycol oder Öl zugeführt.
Dann wird das Oxidationsgas von dem Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a in die Oxidationsgaspassage 42 des ersten Metallseparators 18 eingeführt, zur Förderung in der Richtung von Pfeil B der Kathodenelektrode 40, welche die Membranelektrodenanordnung 16 aufweist. Andererseits wird das Brenngas von dem Brenngaseingangsverbindungsloch 34a in die Brenngaspassage 34 des zweiten Metallseparators 20 eingeführt, und wird, während es in der Richtung von Pfeil B fließt, der Anodenelektrode 38 zugeführt, welche die Elektrolytmembranelektrodenanordnung 16 bildet.
In jeder Membranelektrodenanordnung 16 werden daher das der Kathodenelektrode 40 zugeführte Oxidationsgas und das der Anodenelektrode 38 zugeführte Brenngas verbraucht, um durch die elektrochemische Reaktion in der Elektrodenkatalysatorschicht elektrischen Strom zu erzeugen.
Als nächstes wird das Brenngas, das der Anodenelektrode 38 zugeführt und darin verbraucht wird, in der Richtung von Pfeil A entlang dem Brenngasausgangsverbindungsloch 34b abgeführt. Ähnlich wird das Oxidationsgas, das dann der Kathodenelektrode 40 zugeführt und in dieser verbraucht wird, in der Richtung von Pfeil A entlang dem Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b abgeführt.
Andererseits wird das dem Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a zugeführte Kühlmittel in die Kühlmittelpassage 46 zwischen den ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 eingeführt und fließt dann in der Richtung von Pfeil B. Dieses Kühlmittel kühlt die Membranelektrodenanordnung 16 und wird dann aus dem Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b abgeführt.
Im Falle der ersten Ausführung ist das erste Dichtungselement 50 mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 18 integriert, und das erste Dichtungselement 50 ist mit dem den trapezförmigen Querschnitt aufweisenden Körperbasisabschnitt 58 und dem mit dem Außenende des Körperbasisabschnitts 58 integrierten vorstehenden Abschnitten 60a und 60b versehen.
Daher ist die Kontaktfläche des abgedichteten Teils (d. h. der Festpolymerelektrolytmembrane 36) des ersten Dichtungselements 50 weiter vergrößert als das des lippenförmigen Dichtungselements der verwandten Technik, und daher können die gewünschten Dichtungseigenschaften erhalten werden. Darüber hinaus sind die einzelnen vorstehenden Abschnitte 60a und 60b relativ verformbar (wie in der doppelt gepunkteten Linie in 4 angegeben), so dass sie den Höhenfluktuationen des Dichtungsabschnitts leicht folgen können, wodurch die gewünschten Dichtungseigenschaften mit der einfachen Struktur erhalten werden können.
Daher kann die zufriedenstellende Dichtungsleistung insbesondere im Hinblick auf das innewohnende Phänomen der ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20, wie etwa Verformung aufgrund des Gasdrucks in der Brennstoffzelle 10 oder einem Verwerfen, Aufwölben oder Verformen der Oberfläche, erwartet werden.
Darüber hinaus können die einzelnen vorstehenden Abschnitte 60a und 60b leicht verformt werden, um einen geeigneten Dichtungsoberflächendruck (oder Dichtungsliniendruck) auf die Dichtungselemente auszuüben, wodurch ein etwaiger übermäßiger Dichtungsoberflächendruck nicht erzeugt werden kann. Im Ergebnis kann ein signifikanter Effekt erhalten werden, so dass die Oberflächendruckverteilungen in den Elektrodenoberflächen der Anodenelektrode 38 und der Kathodenelektrode 40 richtig eingehalten werden können, und die verschiedenen Komponenten einschließlich der Membranelektrodenstruktur 16 vor Beschädigung effizient geschützt werden können.
Noch weiter ist der Körperbasisabschnitt 58 mit dem trapezförmigen Querschnitt ausgebildet, so dass dieser die Festigkeit (oder Zähigkeit) des ersten Dichtungselements 50 selbst verbessern kann. Darüber hinaus folgen die einzelnen vorstehenden Abschnitte 60a und 60b des ersten Dichtungselements 50 dem Dichtungselement integral in der Oberflächenrichtung davon durch den Körperbasisabschnitt 58, während sie auf das Dichtungselement gedrückt werden. Auch wenn Vibrationen oder Stöße einwirken, können daher die gewünschten Dichtungseigenschaften zuverlässig gehalten werden.
Wenn mit der oben beschriebenen Brennstoffzellenstruktur die Brennstoffzellen 10 zur Verwendung in einem Fahrzeug gestapelt werden, ist es möglich, die gewünschten Dichtungseigenschaften zu erhalten und Vibrationen, während das Fahrzeug fährt, und den Aufprall oder Stoß bei einem abrupten Stopp oder beim Anfahren zuverlässig zu absorbieren. Daher kann ein signifikanter Effekt erhalten werden, so dass die Vibrations- und Stoßbeständigkeiten verbessert werden können.
Das dritte Dichtungselement 68 kann die gleichen Wirkungen wie jene erreichen, die in dem ersten Dichtungselement 50 erläutert wurden, so dass dessen detaillierte Beschreibung nicht wiederholt wird.
Als nächstes werden Experimente aufgeführt, zum Vergleich der Dichtungseigenschaften im Falle eines Dichtungselements 3 (in Bezug auf 5), das ein lippenförmiges Dichtungselement der verwandten Technik aufweist, mit dem Fall der ersten Ausführung dieser Erfindung. Dieses Dichtungselement 3 wurde verjüngt ausgebildet, mit einem bogenförmigen Vorderendabschnitt 4 eines Krümmungsradius R3, der auf 0,1 mm bis 1,0 mm eingestellt wurde.
In den Experimenten wurden vorbereitet eine Brennstoffzelle (nachfolgend als „Vergleich" bezeichnet) in der das Dichtungselement 3 montiert war, und die Brennstoffzelle 10 (nachfolgend als „Ausführung" bezeichnet) gemäß der ersten Ausführung. Die Beziehungen zwischen der Verlagerung und dem Dichtungsliniendruck wurden erfasst, und es wurden die in 6 gezeigten Ergebnisse erhalten.
Als Ergebnis war im „Vergleich" das Dichtungselement 3 selbst leicht verformbar, so dass der Dichtungsliniendruck (oder der Dichtungsoberflächendruck) erwartungsgemäß reduziert ist. Im Falle der „Ausführung" konnten hingegen die gewünschten Dichtungseigenschaften in dem Bereich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze der Komprimierbarkeit erhalten werden, wie sie durch die Höhe H2 angegeben ist. Im Falle der „Ausführung" wurde darüber hinaus ein geeigneter Dichtungsdruck erhalten, und die Oberflächendruckverteilung auf der Elektrodenoberfläche lag ebenfalls im richtigen Bereich. Wenn die Obergrenze (d. h. der Bereich der Höhe H1) der Komprimierbarkeit überschritten wurde, konnte die Federkonstante der Ausführung verbessert werden, um die gewünschte Festigkeit (oder Zähigkeit) zu halten, obwohl das Dichtungselement 3 des Vergleichs zu stark zusammengedrückt wurde.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Dichtungselements 18, das für die Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird.
Das Dichtungselement 80 ist mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 18 integriert und ist versehen mit dem Körperbasisabschnitt 58, der einen trapezförmigen Querschnitt hat, und einer Mehrzahl von z. B. drei vorstehenden Abschnitten 82a, 82b und 82c, die mit dem Außenende des Körperbasisabschnitts 58 integriert sind.
Der Körperbasisabschnitt 58 ist so eingestellt, dass er die Höhe H1 hat, um die gewünschte Federkonstante zu halten, die für Stoßabsorption oder dergleichen erforderlich ist. Andererseits sind die vorstehenden Abschnitte 82a, 82b und 82c so eingestellt, dass sie die Höhe H2 haben, um zu verhindern, dass sich der Liniendruck des Dichtungselements abrupt ändert, und um die Festigkeiten der vorstehenden Abschnitte 82a, 82b und 82c selbst zu halten.
In der wie oben strukturierten zweiten Ausführung können die vorstehenden Abschnitte 82a, 82b und 82c nicht nur die Kontaktflächen mit dem Dichtungselement effizient halten, sondern auch die gewünschten Dichtungseigenschaften in einer Weise, um Fluktuationen der Höhe des Dichtungselements zu folgen. Darüber hinaus kann der Körperbasisabschnitt 58 die gewünschte Festigkeit (oder Zähigkeit) verbessern, damit er ein zu starkes Zusammendrücken des Dichtungselements 80 selbst aushält, so dass auch die gleichen Effekte wie jene in der ersten Ausführung erreicht werden können.
8 ist ein erläuternder Querschnitt eines Dichtungselements 90, das für die Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung verwendet wird.
Das Dichtungselement 90 ist mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 19 integriert und ist versehen mit einem Körperbasisabschnitt 92, der einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, und einem bogenförmigen Außenendabschnitt 94, der in einer vorbestimmten Krümmung mit dem Außenende des Körperbasisabschnitts 92 integriert ist und weicher gemacht ist als der Körperbasisabschnitt 92. Insbesondere ist der bogenförmige Außenendabschnitt 94 aus einem Kompositmaterial gemacht, hergestellt durch ein Vermischen eines Materials geringerer Härte als dem, aus dem der Körperbasisabschnitt 92 gemacht ist.
Ein Krümmungsradius R2 des bogenförmigen Außenendabschnitts 94 ist in einem Bereich von 1,0 min bis 3,0 min eingestellt, und das Aspektverhältnis T/W des Dichtungselements 90, d. h. die Höhe des Höhenmaßes T des bogenförmigen Außenendabschnitts 94 zu dem Breitenmaß W des Körperbasisabschnitts 92, ist auf eine Beziehung von T/W ≤ 1,5 eingestellt. Der Körperbasisabschnitt 92 ist auf die Höhe H1 eingestellt, und der bogenförmige Außenendabschnitt 94 ist auf die Höhe H2 eingestellt.
In der so strukturierten dritten Ausführung kann der bogenförmige Außenendabschnitt 94 die Kontaktfläche mit dem Dichtungselement effizient einhalten. Gleichzeitig ist der bogenförmige Außenendabschnitt 94 weicher gemacht als der Körperbasisabschnitt 92, so dass er den Höhenfluktuationen des Dichtungselements folgen kann, um hierdurch die gewünschten Dichtleistungen zu halten. Darüber hinaus kann der Körperbasisabschnitt 92 die gewünschte Festigkeit (oder Zähigkeit gegen zu starkes Zusammendrücken des Dichtungselements 90 selbst verbessern, so dass gleiche Wirkungen wie jene der ersten und zweiten Ausführungen erreicht werden können.
Hier kann der bogenförmige Außenendabschnitt 94 mit einer Mehrzahl von (nicht gezeigten) vorstehenden Abschnitten versehen sein. Im Ergebnis kann die dritte Ausführung einen Effekt erreichen, dass die Dichtungsleistungen des Dichtungselements 90 weiter verbessert sind.
In der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist das Dichtungselement mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte am Außenende des Körperbasisabschnitts versehen, so dass dessen Kontaktfläche größer gemacht werden kann als die der Einzellippenform der verwandten Technik, wodurch die gewünschten Dichtungsleistungen erhalten werden können. Darüber hinaus sind die einzelnen vorstehenden Abschnitte relativ verformbar gemacht, so dass sie den Höhenfluktuationen des Dichtungselements leicht folgen können, um hierdurch die gewünschten Dichteigenschaften mit der einfachen Struktur zu erhalten. Daher kann die zufriedenstellende Dichtleistung auch insbesondere gegenüber dem innewohnenden Phänomen der ersten und zweiten Metallseparatoren aufgezeigt werden, z. B. der Verformung aufgrund des Gasdrucks in der Brennstoffzelle, oder der Verformung, der Aufwölbung oder Verformung der Oberfläche. Darüber hinaus ist die Festigkeit der einzelnen gestapelten Stromerzeugungszellen gegenüber einer Verlagerung verbessert, so dass sie zuverlässig aneinander gehalten werden können.
Zusätzlich können die einzelnen vorstehenden Abschnitte leicht verformt werden, um den richtigen Dichtungsoberflächendruck (oder den Dichtungsliniendruck) auf die Dichtungsabschnitte auszuüben, so dass sich kein übermäßiger Dichtungsoberflächendruck aufbaut. Daher kann die Oberflächendruckverteilung in der Elektrodenoberfläche richtig gehalten werden, um wirkungsvoll zu verhindern, dass verschiedene Teile einschließlich der Elektrolyt-/Elektrodenstruktur beschädigt werden.
Darüber hinaus ist der Körperbasisabschnitt mit dem trapezförmigen Querschnitt ausgebildet, so dass er die gewünschte Festigkeit (oder Zähigkeit) des Dichtungselements gegenüber zu starkem Zusammendrücken verbessern kann. Wenn die Brennstoffzelle zur Verwendung in einem Fahrzeug gestapelt werden, ist es daher möglich, die gewünschten Dichtungseigenschaften zu erhalten und die Vibrations- und Stoßbeständigkeiten zu verbessern.
In dem Zustand, wo die vorstehenden Abschnitte in Kontakt mit dem Dichtungselement gedrückt werden, kann noch weiter der Außenendabschnitt des Dichtungselements der Oberflächenrichtung (oder der Querrichtung) des Dichtungselements integral mit dem Körperbasisabschnitt folgen. Auch wenn Vibrationen oder Stöße ausgeübt werden, können daher die gewünschten Dichtungseigenschaften zuverlässig eingehalten werden.
Ein erstes Dichtungselement 50 ist mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators 18 integriert und ist mit einem Körperbasisabschnitt 58 trapezförmigen Querschnitts und mit zwei vorstehenden Abschnitten 60a und 60b versehen, die mit dem Außenende des Körperbasisabschnitts 58 integriert sind, wobei der Körperbasisabschnitt 58 auf eine Höhe H1 eingestellt ist, um die gewünschte Federkonstante zu halten, die für Stoßabsorptionen erforderlich ist, und die vorstehenden Abschnitte 60a und 60b auf eine Höhe H2 eingestellt sind, um zu verhindern, dass sich der Liniendruck des Dichtungselements abrupt ändert, und um die Festigkeiten der vorstehenden Abschnitte 60a und 60b selbst einzuhalten.

Claims

Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur, die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist, eine Mehrzahl von Separatoren die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur gestapelt sind, wobei jeder der Mehrzahl von Separatoren an seiner einen Seite ausgebildete Reaktionspassagen enthält, um ein Reaktionsgas in der Oberflächenrichtung der Elektroden zu fördern, wobei die Reaktionsgaspassagen mit Verbindungslöchern in Verbindung stehen, die zumindest ein Reaktionsgaseinführverbindungsloch und ein Reaktionsgasausführverbindungsloch enthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, worin die Separatoren mit Dichtungselementen integriert sind, um zumindest Umgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und wobei ferner die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnitt sowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte enthalten, die mit den Außenenden der Körperbasisabschnitte integriert sind.
Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur, die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist, und eine Mehrzahl von Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur gestapelt sind, wobei jeder der Separatoren an seiner einen Seite ausgebildete Kühlmittelpassagen enthält, um ein Kühlmittel in der Oberflächenrichtung der Elektroden zu fördern, wobei die Kühlmittelpassagen mit Verbindungslöchern in Verbindung stehen, die zumindest ein Kühlmitteleinführverbindungsloch und ein Kühlmittelausführverbindungsloch enthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, worin die Separatoren mit Dichtungselementen integriert sind, um zumindest Umgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und wobei ferner die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnitt sowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte enthalten, die mit den Außenenden der Körperbasisabschnitte integriert sind.
Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur, die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist, und eine Mehrzahl von Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur gestapelt sind, wobei jeder der Separatoren an seiner einen Seite ausgebildete Reaktionsgaspassagen zum Fördern eines Reaktionsgases in der Oberflächenrichtung der Elektroden sowie an seiner anderen Seite ausgebildete Kühlmittelpassagen zum Fördern eines Kühlmittels in der Oberflächenrichtung der Elektroden enthält, wobei die Reaktionsgaspassagen mit Verbindungslöchern in Verbindung stehen, die zumindest ein Reaktionsgaseinführverbindungsloch und ein Reaktionsgasausführverbindungsloch enthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, und wobei die Kühlmittelpassagen mit Verbindungslöchern in Verbindung stehen, die zumindest ein Kühlmitteinführverbindungsloch und ein Kühlmittelausführverbindungsloch enthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, worin die Separatoren mit Dichtungselementen integriert sind, um zumindest Umgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und worin ferner die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnitt sowie bogenförmige Außenendabschnitte mit einer vorbestimmten Krümmung enthalten, die mit den Außenenden der Körperbasisabschnitte integriert sind und aus einem Material hergestellt sind, das stärker verformbar ist als das der Körperbasisabschnitte.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Separatoren aus wellenförmigen Metallplatten hergestellt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, worin die bogenförmigen Außenenabschnitte mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte versehen sind.
Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur, die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist; eine Mehrzahl von Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur gestapelt sind, wobei jeder der Separatoren an seiner einen Seite ausgebildete Reaktionsgaspassagen enthält, um ein Reaktionsgas in der Oberflächenrichtung der Elektroden zu fördern, und Dichtungselemente, welche die Separatoren abdichten, worin die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnitt und eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte enthalten, die mit den Außenenden der Körperbasisabschnitte integriert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, worin die Dichtungselemente mit den Separatoren integriert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, worin die Separatoren aus einer wellenförmigen Metallplatte hergestellt sind.