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    Einerstes Dichtungselement 50 ist mit der Oberfläche 18a des ersten Metallseparators18 integriert und ist mit einem Körperbasisabschnitt 58 trapezförmigen Querschnittsund mit zwei vorstehenden Abschnitten 60a und 60b versehen, diemit dem Außenende desKörperbasisabschnitts58 integriert sind, wobei der Körperbasisabschnitt58 auf ein HöheH1 eingestellt ist, um die gewünschteFederkonstante zu halten, die fürStoßabsorptionenerforderlich ist, und die vorstehenden Abschnitte 60a und 60b aufeine HöheH2 eingestellt sind, um zu verhindern, dass sich der Liniendruckdes Dichtungselements abrupt ändert,und um die Festigkeiten der vorstehenden Abschnitte 60a und 60bselbst einzuhalten.
    公开号:DE102004022969A1
    申请号:DE102004022969
    申请日:2004-05-10
    公开日:2004-12-09
    发明作者:Junichi Wako Sato；Toshiya Wako Wakahoi
    申请人:Honda Motor Co Ltd；
    IPC主号:H01M8-02
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die aufgebautist aus einer Elektrodenstruktur, die ein zwischen einem Paar vonElektroden angeordnetes Elektrolyt aufweist, und Separatoren, dieauf die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur gestapelt sind und Reaktionsgaspassagenzum Speisen des Reaktionsgases in der Oberflächenrichtung der Elektrodenenthalten, wobei das Reaktionsgas von den Reaktionsgaseinführverbindungslöchern zuden Reaktionsgasausführverbindungslöchern geliefert wird,deren Gasstrom sich zumindest in der Stapelrichtung erstreckt.
    [0002] ZumBeispiel ist in einer Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eineElektrolyt-/Elektrodenstruktur angeordnet, in der eine Anodenelektrodeund eine Kathodenelektrode an beiden Seiten eines Elektrolyts (odereiner Elektrolytmembrane), die aus einer Polymerionenaustauschmembrane(oder einer Anodenionenaustauschmembrane) hergestellt ist, nebeneinanderliegen, und die Elektrolyt-/Elektrodenstruktur ist durch die Separatoreneingeklemmt. Die Brennstoffzelle dieser Art wird als Brennstoffzellenstapelangewendet, in dem mehrere Sätzefür Elektrolyt-/Elektrodenstrukturund der Separatoren in einer vorbestimmten Anzahl gestapelt sind.
    [0003] Indieser Brennstoffzelle wird von dem Brenngas, das der Anodenelektrodezugeführtwird, wie etwa ein hauptsächlichWasserstoff enthaltendes Gas (wird auch das „wasserstoffhaltige Gas" genannt), der Wasserstoffan einen Elektrodenkatalysator ionisiert, so dass die Wasserstoffionendurch das Elektrolyt zu der Kathodenelektrode hin wandern. Die während desProzesses erzeugten Elektronen werden durch eine externe Schaltungabgenommen, um als elektrische Gleichstromenergie genutzt zu werden.Weil darüberhinaus der Kathodenelektrode ein Oxidationsgas zugeführt wird,wie etwa ein hauptsächlichsauerstoffhaltiges Gas oder Luft (wird auch das „sauerstoffhaltige Gas" genannt), werdendie Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff miteinanderreagiert, um an der Kathodenelektrode Wasser zu erzeugen.
    [0004] Inder Brennstoffzelle dieser Art ist es erforderlich, dass das Brenngas,das Oxidationsgas und das Kühlmittelluftdicht und flüssigkeitsdichtentlang ihren entsprechend zugewiesenen Passagen fließen. Daherwerden gewöhnlichverschiedene Dichtungselemente zwischen der Elektrolyt-/Elektrodenstruktur undden Separatoren angeordnet. Zum Beispiel ist das Dichtungselementder Patentschrift 1, wie in 9 gezeigt,derart strukturiert, dass eine Basisdichtung 1, die auseinem elastischen Material eines Synthetikgummimaterials oder Kunstharzmaterials miteiner hohen Härtevon 70 Grad bis 90 Grad hergestellt ist, und dass Dichtungen 2 ausSynthetikgummimaterial mit niedriger Härte von 30 Grad bis 50 Gradauf den Kompressionsflächender Basisdichtung 1 angeordnet sind.
    [0005] Jedochwerden gemäß der Patentschrift1 die Dichtungselemente zwischen den Separatoren zusammengebaut,so dass die Anzahl der Montageschritte erhöht ist, was zu schlechterenArbeitseigenschaften führt,zusätzlichzu der beträchtlichen Schwierigkeit,die Dichtungselemente auszurichten. Weil darüber hinaus jedes Dichtungselementzumindest zwei Sätzevon Dichtungselementen auf den beiden Seiten benötigt, entsteht auch ein kompliziertesstrukturelles Problem.
    [0006] Indem Herstellungsverfahren eines Separators vom integralen Dichtungstypder Patentschrift 2 ist zum Beispiel ein Verfahren offenbart, worindie Dichtungselemente auf Elektrodenreaktionsoberflächen oder Außenoberflächen derVerbindungslöcher angeordnetwerden, die mit den beiden Seiten des separaten Körpers derBrennstoffzelle integriert sind.
    [0007] DiePatentschrift 2 ist effizient, weil sie ermöglicht, dass die Dichtungselementepräziseausgerichtet werden und die Anzahl der Montageschritte signifikantreduziert werden kann, im Vergleich zu den Fällen der Dichtungselemente,die auf beiden Seiten des separaten Körpers angeordnet werden, oderder vorgezogenen Beschichtung des Dichtungsmaterials. [Patentschrift 1] JP-A-2001-332276 (Abs. [0006], Fig. 1) [Patentschrift 2] JP-A-2002-237317 (Abs. [0012], 6)
    [0008] Wasdie Dichtungselemente betrifft, die allgemein in der herkömmlichenTechnik verwendet werden, sind sie bergspitzenförmig ausgebildet (d. h. lippenförmig). Obwohldaher die Dichtungselemente mit dem separaten Körper integriert werden, wiein der Patentschrift 2 offenbart ist, können im Falle der Montage einerBrennstoffzelle in einem Fahrzeug die Dichtungseigenschaften evtl.schlechter werden.
    [0009] Insbesonderekönntendie Außenendabschnitteder Dichtungselemente durch die während der Fahrzeit erzeugtenVibrationen oder die durch abruptes Stoppen oder Anfahren des Fahrzeugshervorgerufenen Stöße verlagertwerden. Unter diesen Umständenwird es schwierig, die gewünschtenDichtungseigenschaften beizubehalten, weil die zufriedenstellendeKontaktflächenicht hergestellt wird. Wenn die Metallseparatoren verwendet werden,kann insbesondere auf den Oberflächender Metallseparatoren das Verformen, Verwerten oder Aufwölben leichtauftreten. Jedoch könnendie Außenendabschnitteder Dichtungselemente auf die Oberflächenveränderungen der Metallseparatorennicht richtig eingestellt werden, wodurch ein Problem entstehenkönnte,dass der Dichtungsoberflächendruck, derfür dieAbdichtungsfunktion mit den Separatoroberflächen erforderlich ist, nichterhalten werden kann.
    [0010] Wenndarüberhinaus der Stapel durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen hergestelltwerden soll, könntean den Außenendabschnittender Dichtungselemente leicht eine Verlagerung auftreten. Im Ergebniskönntees passieren, dass die Außenendabschnitteder Dichtungselemente abfallen; der Oberflächendruck sinkt, die Kontaktfläche verkleinertwird oder dergleichen, und dies macht es extrem schwierig, die gewünschtenDichtungseigenschaften zu halten.
    [0011] Dievorliegende Erfindung ist durchgeführt worden, um die Problemeder oben genannten Arten zu lösen,und es ist eine Aufgabe in dieser Erfindung eine Brennstoffzelleanzugeben, die die Dichtungseigenschaften zwischen einem Dichtungselementund einem Separator mit einer einfachen Struktur zuverlässig hält, um einegewünschteLeistung der Stromerzeugung der Brennstoffzelle zu erhalten.
    [0012] Gemäß den erstenund zweiten Aspekten der Erfindung sind die Separatoren mit Dichtungselementenzum Abdecken zumindest der Umgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher integriert, unddie Dichtungselemente enthalten: Körperbasisabschnitte mit einemtrapezförmigenQuerschnitt; sowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte, die mit denAußenendender Körperbasisabschnitteintegriert sind.
    [0013] Aufdiese Weise sind die Dichtungselemente mit den Separatoren derartintegriert, so dass durch Abdichtung nur der einzigen Oberfläche eineAbdichtung zuverlässigerreicht werden kann. Im Vergleich zu der Struktur der Dichtungselemente,die auf beiden Seiten der Separatoren vorgesehen sind, kann dieMontagearbeit und der Ausrichtungszustand signifikant verbessertwerden.
    [0014] Darüber hinausist das Dichtungselement an dem Außenende des Körperbasisabschnittsmit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte versehen, so dass seineKontaktflächegrößer gemachtwerden kann als der der Einzellippenformen der verwandten Technik, wases möglichmacht, die gewünschtenDichtungseigenschaften zu halten. Darüber hinaus sind die einzelnenvorstehenden Abschnitte relativ verformbar gemacht, so dass sieHöhenfluktuationendes Dichtungselements leicht folgen können, um die gewünschtenDichtungseigenschaften mit der einfachen Struktur zu halten. Daherkann die zufriedenstellende Dichtungsleistung auch insbesondereauf das intrinsische Phänomenerhalten werden, dass sich die ersten und zweiten Metallseparatorenaufgrund des Gasdrucks in der Brennstoffzelle verformen oder sichdie Oberflächeverwirft, aufwölbtoder verformt. Darüberhinaus haben die einzelnen gestapelten Stromerzeugungszellen eineverbesserte Stabilitätgegenübereiner Verlagerung, so dass sie zuverlässig aneinander gehalten werdenkönnen.
    [0015] Zusätzlich können dieeinzelnen vorstehenden Abschnitte leicht verformt werden, um denrichtigen Dichtungsoberflächendruckoder Dichtungsliniendruck, etwa ausgedrückt durch Last pro Fläche (kg/m2) bzw. Last pro Linienlänge, auf den Dichtungsabschnittauszuüben,so dass ein etwaiger übermäßiger Dichtungsoberflächendrucknicht erzeugt werden kann. Daher kann die Oberflächendruckverteilung in derElektrodenoberfläche,richtig gehalten werden, um effizient zu verhindern, dass die verschiedenenKomponenten einschließlichder Elektrolyt-/Elektrodenstruktur beschädigt werden.
    [0016] Darüber hinausist der Körperbasisabschnitt zudem trapezförmigenQuerschnitt ausgebildet, so dass die Federkonstante vergrößert werdenkann, um die gewünschteFestigkeit (oder Zähigkeit)des Dichtungselements selbst zu verbessern. Wenn die Brennstoffzellezur Verwendung an dem Fahrzeug gestapelt wird, ist es daher möglich, dieFestigkeit als Strukturkörperfür dasFahrzeug und die gewünschtenDichtungseigenschaften zu halten und die Beständigkeiten gegen Vibrationenund Stöße zu verbessern.
    [0017] Indem Zustand, wo die vorstehenden Abschnitte in Kontakt mit dem Dichtungselementgepresst werden, kann aufgrund der integralen Ausbildung mit demKörperbasisabschnittdarüberhinaus der Vorderendabschnitt des Dichtungselements einer Verlagerungdes Dichtungselements in der Oberflächenrichtung davon (oder derQuerrichtung) folgen. Auch wenn Vibrationen oder Stöße ausgeübt werden,könnendie gewünschtenDichtungeigenschaften zuverlässiggehalten werden.
    [0018] Inder Brennstoffzelle gemäß einemdritten Aspekt der Erfindung sind darüber hinaus die Separatorenmit Dichtungselementen integriert, um zumindest die Umgebungen derElektroden und der Verbindungslöcherabzudecken, und die Dichtungelemente enthalten Körperbasisabschnitte mit einemtrapezförmigenQuerschnitt und bogenförmigeVorderendabschnitte, die mit einer vorbestimmten Krümmung mitden Außenendender Körperbasisabschnitteintegral hergestellt sind, und wobei das Material stärker verformbarist oder weicher ist als das, welches zur Bildung der Körperbasisabschnitteverwendet wird.
    [0019] ImVergleich zu der Einzellippenform vom Stand der Technik kann daherdie Kontaktflächemit den Dichtungselementen vergrößert werden,um die gewünschtenDichteigenschaften zu halten. Darüber hinaus sind die bogenförmigen Vorderendabschnitte relativderart verformbar, dass sie den Höhenfluktuationen der Dichtungselementeleicht folgen können, umhierdurch zu verhindern, dass die gewünschten Dichtungseigenschaftenschlechter werden, und um den richtigen Dichtungsoberflächendruck(oder den Dichtungsliniendruck) auf die Dichtungsabschnitte auszuüben.
    [0020] Darüber hinauskönnendie Körperbasisabschnittedie Stabilitätder Dichtungselemente selbst verbessert und können zusammengedrückt werden, wennVibrationen, Stöße usw.darauf einwirken, um zu verhindern, dass sich zwischen den gestapelten Stromerzeugungszellenein Spalt bildet.
    [0021] Inder Brennstoffzelle gemäß einemvierten Aspekt der Erfindung sind darüber hinaus die Separatorenaus Metallplatten wellenförmigenQuerschnitts hergestellt, so dass die Dicke der Separatoren leichtreduziert werden kann.
    [0022] Inder Brennstoffzelle gemäß einemfünften Aspektder Erfindung sind ferner die bogenförmigen Vorderendabschnittemit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte versehen, um hierdurchdie Dichtungseigenschaften zu verbessern.
    [0023] 1 ist eine Perspektivansichteines wesentlichen Abschnitts einer Brennstoffzelle gemäß einerersten Ausführungder Erfindung;
    [0024] 2 ist eine Querschnittsansichteines wesentlichen Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels, derdie gestapelten Brennstoffzellen aufweist;
    [0025] 3 ist ein erläuternderQuerschnitt eines Dichtungselements als Teil der Brennstoffzelle;
    [0026] 4 ist eine Querschnittsansichtdes Dichtungselements bei dessen Betrieb;
    [0027] 5 ist ein Querschnitt eineslippenförmigenAbschnitts eines Dichtungselements der verwandten Technik zum Vergleich;
    [0028] 6 ist ein Erläuterungsdiagramm,das Beziehungen zwischen einer Verlagerung und einem Dichtungsliniendruckzwischen dem Vergleich und der Ausführung aufzeigt;
    [0029] 7 ist ein erläuternderQuerschnitt eines Dichtungselements, das für eine Brennstoffzelle gemäß einerzweiten Ausführungder Erfindung verwendet wird;
    [0030] 8 ist ein erläuternderQuerschnitt eines Dichtungselements, das für eine Brennstoffzelle gemäß einerdritten Ausführungder Erfindung verwendet wird; und
    [0031] 9 ist ein erläuternderQuerschnitt eines Dichtungselements gemäß der verwandten Technik.
    [0032] 1 ist eine Perspektivansichteines wesentlichen Abschnitts einer Brennstoffzelle 10 gemäß einerersten Ausführungder Erfindung und 2 ist eineQuerschnittsansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels 12,wo die Brennstoffzellen 10 gestapelt sind.
    [0033] Wiein 2 gezeigt, weistder Brennstoffzellenstapel 12 eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 10 auf,die in Richtung von Pfeil A gestapelt sind, wobei Endplatten 14a und 14b anbeiden Enden der Stapelrichtung angeordnet sind. Die Endplatten 14a und 14b sinddurch Koppelstangen (nicht gezeigt) befestigt, so dass eine vorbestimmteBefestigungslast auf die gestapelten Brennstoffzellen 10 inder Richtung von Pfeil A ausgeübtwerden kann.
    [0034] Wiein 1 gezeigt, ist dieBrennstoffzelle 1 strukturiert, indem eine Membranelektrodenanordnung(oder eine Elektrolyt-Elektrodenstruktur) 16 mit den dazwischeneingeklemmten ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 nebeneinanderangeordnet wird. Diese ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 können z.B. aus Stahlblech, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, plattierten Stahlblechenoder Metallblechen, deren Metalloberflächen zur Korrosionshemmungbehandelt sind, hergestellt sein, wobei die Dicke von 0,05 bis 1,0mm gegeben ist. Hier könnendie ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 auchdurch aus Kohlenstoff hergestellte Separatoren ersetzt werden.
    [0035] Ameinen Endrandabschnitt der Brennstoffzelle 10 in der Richtungvon Pfeil B (oder in der horizontalen Richtung von 1) sind vorgesehen: ein Oxidationsgaseingangsverbindungsloch(oder Reaktionsgaseinführverbindungsloch 30a zumZuführen einesOxidationsgases wie etwa eines sauerstoffhaltigen Gases; ein Kühlmittelausgangsverbindungsloch(oder Kühlmittelausführverbindungsloch) 32b zumAbführeneines Kühlmittels;sowie ein Brenngasausgangsverbindungsloch (oder ein Reaktionsgasausführverbindungsloch) 34b zumAusführeneines Brenngases wie etwa eines wasserstoffhaltigen Gases. DiesesOxidationsgaseinführverbindungsloch 30a,Kühlmittelausführverbindungsloch 32b und Brenngasausführverbindungsloch 34b sindso hergestellt, dass sie in der Brennstoffzellenstruktur in der Stapelrichtungvon Pfeil A hindurch in Verbindung stehen.
    [0036] Hingegensind am anderen Endrandabschnitt in der Brennstoffzelle 10 inRichtung von Pfeil B, in Richtung von Pfeil C vorgesehen: ein Brenngaseingangsverbindungsloch(oder ein Reaktionsgaseinführverbindungsloch) 34a zumZuführen desBrenngases, ein Kühlmitteleingangsverbindungsloch(oder Kühlmitteleinführverbindungsloch) 32a zumZuführendes Kühlmittelssowie ein Oxidationsgasausgangsverbindungsloch (oder Reaktionsgasausführverbindungsloch) 30b zumAusführendes Oxidationsgases in einer Weise, um jedem von diesen eine Verbindungin der Richtung von Pfeil A zu gestatten.
    [0037] DieMembranelektrodenanordnung 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.
    [0038] DieAnodenelektrode 36 und die Kathodenelektrode 40 sindversehen mit einer Gasdiffusionsschicht, die aus Kohlenstoffpapieroder dergleichen hergestellt ist, und einer Elektrodenkatalysatorschicht,die durch gleichmäßiges Beschichtender Oberflächeder Gasdiffusionsschicht mit porösen Kohlenstoffpartikelngebildet ist, welche eine Platinlegierung darauf tragen. Die Elektrodenkatalysatorschichtist mit beiden Seiten der Festpolymerelektrolytbrenane verbunden.
    [0039] Dererste Metallseparator 18 ist auf seiner Oberfläche 18a ander Seite der Elektrolytmembranelektrodenanordnung 16 miteiner Oxidationsgaspassage (oder Reaktionsgaspassage) 42 versehen,die sich z. B. linear in der Richtung von Pfeil B erstreckt. Andererseitsist, wie in 1 und 2 gezeigt, der zweite Metallseparator 20 aufseiner Oberfläche 20a an derSeite der Elektrolytmembranelektrodenanordnung 16 mit einerBrenngaspassage (oder Reaktionsgaspassage) 44 versehen,die mit dem Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und demBrenngasausgangsverbindungsloch 34b in Verbindung steht undsich in Richtung von Pfeil B linear erstreckt.
    [0040] Zwischender Oberfläche 18b desersten Metallseparators 18 und der Oberfläche 20b deszweiten Metallseparators 20 ist eine Kühlmittelpassage 46 ausgebildet,um das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a mitdem Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b zuverbinden. Diese Kühlmittelpassage 46 erstrecktsich linear in der Richtung von Pfeil B.
    [0041] Einerstes Dichtungselement 50 ist mit der Oberfläche 18a desersten Metallseparators 18 integriert, um die Kathodenelektrode 40 dortabzudecken, wo die Oxidationsgaspassage 42, das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a unddas Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b angeordnetsind. Das erste Dichtungselement 50 kann aus einem Dichtungsmaterial,einem Dämpfmaterial odereinem Packungsmaterial aus EPDM, NBR, Fluorgummi, Silicongummi,Phlorosilicongummi, Butylgummi, Naturgummi, Stylengummi, Chloropren- oderAcrylgummi hergestellt sein, und ist so eingestellt, dass es eineHärte imBereich von 30 Grad bis 60 Grad hat.
    [0042] Daserste Dichtungselement 50 ist integral oder separat mitDichtungsabschnitten 52a und 52b versehen, umdas Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a unddas Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b vonder Oxidationsgaspassage 42 abzuschirmen, sowie Dichtungsabschnitten 54a und 54b, umdas Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungsloch 34b vonder Oxidationsgaspassage 42 abzuschirmen.
    [0043] Wiein 2 und 3 gezeigt, ist das erste Dichtungselement 50 mitder Oberfläche 18a desersten Metallseparators 18 integriert, und das erste Dichtungselemententhälteinen Körperbasisabschnitt 58 miteinem trapezförmigenQuerschnitt, sowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte 60a und 60b,so dass sie mit dem Außenendedes Körperbasisabschnitts 58 integriertsind. Hier kann dem Körperbasisabschnitt 58 während derGießzeitein kleiner Teilungsgradient gegeben werden.
    [0044] Wiein 3 gezeigt, ist derKörperbasisabschnitt 58 soeingestellt, dass er eine HöheH1 hat, um eine zur Stoßabsorptionerforderliche Federkonstante zu halten, während die vorstehenden Abschnitte 60a und 60b soeingestellt sind, dass sie eine Höhe H2 haben, um eine abrupte Änderungim Liniendruck (oder Dichtliniendruck) des Dichtungsabschnitts zuvermeiden sowie auch die Stabilität der vorstehenden Abschnitte 60a und 60b selbstzu halten. Um eine Belastungskonzentration an der Grenze des Körperbasisabschnitts 58 zuverhindern, ist der Grenzbereich so geformt, dass er einen KrümmungsradiusR1 hat, der innerhalb eines Bereichs von 0,3 mm bis 1,0 mm eingestelltist.
    [0045] Einzweites Dichtungselement 62 ist mit der Oberfläche 18b desersten Metallseparators 18 integriert, wie in 1 und 2 gezeigt, um die Kühlmittelpassagen 46,das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a unddas Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b abzudecken.Dieses zweite Dichtungselement 62 ist integral oder separatmit Dichtungsabschnitten 64a und 64b versehen,um das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und das Oxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b von derKühlmittelpassage 46 abzuschirmen,sowie mit Dichtungsabschnitten 66a und 66b, umdas des Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungslochs 34b vonder Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen.Das zweite Dichtungselement 62 ist so ausgebildet, dasses einen rechteckigen Querschnitt hat.
    [0046] Eindrittes Dichtungselement 68 ist mit der Oberfläche 20b deszweiten Metallseparators 20 integriert, um die Kühlmittelpassage 46,das Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a umdas Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b abzudecken.Dieses dritte Dichtungselement 68 ist mit Dichtungsabschnitten 70a und 70b versehen,um das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und dasOxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b von der Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen,sowie mit Dichtungsabschnitten 72a und 72b, umdas Brenngaseingangsverbindungsloch 34a und das Brenngasausgangsverbindungsloch 34b vonder Kühlmittelpassage 46 abzuschirmen.
    [0047] Diesesdritte Dichtungselement 68 ist in der gleichen Weise wiedas erste Dichtungselement 50 strukturiert und ausgebildet,dessen detailierte Beschreibung weggelassen wird, aber ihre gemeinsamenKomponenten mit gemeinsamen Bezugszahlen bezeichnet sind.
    [0048] Einviertes Dichtungselement 74 ist mit der Oberfläche 20a deszweiten Metallseparators 20 integriert, um die Anodenelektrode 38 abzudecken,in anderen Worten die Brenngaspassage 44, das Brenngaseingangsverbindungsloch 34a unddas Brenngasausgangsverbindungsloch 34b. Dieses vierteDichtungselement 74 ist mit Dichtungsabschnitten 76a und 76b versehen,um das Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a und dasOxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b von der Brenngaspassage 34 abzuschirmen,und mit Dichtungsabschnitten 78a und 78b, um dasKühlmitteleingangsverbindungsloch 32a unddas Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b vonder Brenngaspassage 34 abzuschirmen. Dieses vierte Dichtungselement 74 istso ausgebildet, dass es einen rechteckigen Querschnitt hat, wiebereits fürdas zweite Dichtungselement 62 erläutert wurde.
    [0049] Nachfolgendwerden die Funktionen der Brennstoffzelle 10 beschrieben,die in der oben erwähntenso strukturierten Weise hergestellt ist.
    [0050] Zuallererstwird wie in 1 gezeigt,dem Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a ein Oxidationsgaswie etwa ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, und dem Brenngaseingangsverbindungsloch 34a wirdein Brenngas wie etwa ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Darüber hinauswird dem Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a einKühlmittel, wieetwa reines Wasser, Ethylenglycol oder Öl zugeführt.
    [0051] Dannwird das Oxidationsgas von dem Oxidationsgaseingangsverbindungsloch 30a indie Oxidationsgaspassage 42 des ersten Metallseparators 18 eingeführt, zurFörderungin der Richtung von Pfeil B der Kathodenelektrode 40, welchedie Membranelektrodenanordnung 16 aufweist. Andererseits wirddas Brenngas von dem Brenngaseingangsverbindungsloch 34a indie Brenngaspassage 34 des zweiten Metallseparators 20 eingeführt, undwird, währendes in der Richtung von Pfeil B fließt, der Anodenelektrode 38 zugeführt, welchedie Elektrolytmembranelektrodenanordnung 16 bildet.
    [0052] Injeder Membranelektrodenanordnung 16 werden daher das derKathodenelektrode 40 zugeführte Oxidationsgas und dasder Anodenelektrode 38 zugeführte Brenngas verbraucht, umdurch die elektrochemische Reaktion in der Elektrodenkatalysatorschichtelektrischen Strom zu erzeugen.
    [0053] Alsnächsteswird das Brenngas, das der Anodenelektrode 38 zugeführt unddarin verbraucht wird, in der Richtung von Pfeil A entlang dem Brenngasausgangsverbindungsloch 34b abgeführt. Ähnlich wirddas Oxidationsgas, das dann der Kathodenelektrode 40 zugeführt undin dieser verbraucht wird, in der Richtung von Pfeil A entlang demOxidationsgasausgangsverbindungsloch 30b abgeführt.
    [0054] Andererseitswird das dem Kühlmitteleingangsverbindungsloch 32a zugeführte Kühlmittelin die Kühlmittelpassage 46 zwischenden ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20 eingeführt und fließt dannin der Richtung von Pfeil B. Dieses Kühlmittel kühlt die Membranelektrodenanordnung 16 undwird dann aus dem Kühlmittelausgangsverbindungsloch 32b abgeführt.
    [0055] ImFalle der ersten Ausführungist das erste Dichtungselement 50 mit der Oberfläche 18a desersten Metallseparators 18 integriert, und das erste Dichtungselement 50 istmit dem den trapezförmigen Querschnittaufweisenden Körperbasisabschnitt 58 unddem mit dem Außenendedes Körperbasisabschnitts 58 integriertenvorstehenden Abschnitten 60a und 60b versehen.
    [0056] Daherist die Kontaktflächedes abgedichteten Teils (d. h. der Festpolymerelektrolytmembrane 36)des ersten Dichtungselements 50 weiter vergrößert alsdas des lippenförmigenDichtungselements der verwandten Technik, und daher können diegewünschtenDichtungseigenschaften erhalten werden. Darüber hinaus sind die einzelnenvorstehenden Abschnitte 60a und 60b relativ verformbar(wie in der doppelt gepunkteten Linie in 4 angegeben), so dass sie den Höhenfluktuationendes Dichtungsabschnitts leicht folgen können, wodurch die gewünschtenDichtungseigenschaften mit der einfachen Struktur erhalten werdenkönnen.
    [0057] Daherkann die zufriedenstellende Dichtungsleistung insbesondere im Hinblickauf das innewohnende Phänomender ersten und zweiten Metallseparatoren 18 und 20,wie etwa Verformung aufgrund des Gasdrucks in der Brennstoffzelle 10 oder einemVerwerfen, Aufwölbenoder Verformen der Oberfläche,erwartet werden.
    [0058] Darüber hinauskönnendie einzelnen vorstehenden Abschnitte 60a und 60b leichtverformt werden, um einen geeigneten Dichtungsoberflächendruck(oder Dichtungsliniendruck) auf die Dichtungselemente auszuüben, wodurchein etwaiger übermäßiger Dichtungsoberflächendrucknicht erzeugt werden kann. Im Ergebnis kann ein signifikanter Effekt erhaltenwerden, so dass die Oberflächendruckverteilungenin den Elektrodenoberflächender Anodenelektrode 38 und der Kathodenelektrode 40 richtig eingehaltenwerden können,und die verschiedenen Komponenten einschließlich der Membranelektrodenstruktur 16 vorBeschädigungeffizient geschützt werdenkönnen.
    [0059] Nochweiter ist der Körperbasisabschnitt 58 mitdem trapezförmigenQuerschnitt ausgebildet, so dass dieser die Festigkeit (oder Zähigkeit)des ersten Dichtungselements 50 selbst verbessern kann.Darüberhinaus folgen die einzelnen vorstehenden Abschnitte 60a und 60b desersten Dichtungselements 50 dem Dichtungselement integralin der Oberflächenrichtungdavon durch den Körperbasisabschnitt 58,währendsie auf das Dichtungselement gedrückt werden. Auch wenn Vibrationenoder Stöße einwirken,könnendaher die gewünschtenDichtungseigenschaften zuverlässiggehalten werden.
    [0060] Wennmit der oben beschriebenen Brennstoffzellenstruktur die Brennstoffzellen 10 zurVerwendung in einem Fahrzeug gestapelt werden, ist es möglich, diegewünschtenDichtungseigenschaften zu erhalten und Vibrationen, während dasFahrzeug fährt,und den Aufprall oder Stoß beieinem abrupten Stopp oder beim Anfahren zuverlässig zu absorbieren. Daherkann ein signifikanter Effekt erhalten werden, so dass die Vibrations- und Stoßbeständigkeiten verbessertwerden können.
    [0061] Dasdritte Dichtungselement 68 kann die gleichen Wirkungenwie jene erreichen, die in dem ersten Dichtungselement 50 erläutert wurden,so dass dessen detaillierte Beschreibung nicht wiederholt wird.
    [0062] Alsnächsteswerden Experimente aufgeführt,zum Vergleich der Dichtungseigenschaften im Falle eines Dichtungselements 3 (inBezug auf 5), das einlippenförmigesDichtungselement der verwandten Technik aufweist, mit dem Fall derersten Ausführungdieser Erfindung. Dieses Dichtungselement 3 wurde verjüngt ausgebildet,mit einem bogenförmigenVorderendabschnitt 4 eines Krümmungsradius R3, der auf 0,1mm bis 1,0 mm eingestellt wurde.
    [0063] Inden Experimenten wurden vorbereitet eine Brennstoffzelle (nachfolgendals „Vergleich" bezeichnet) in derdas Dichtungselement 3 montiert war, und die Brennstoffzelle 10 (nachfolgendals „Ausführung" bezeichnet) gemäß der erstenAusführung.Die Beziehungen zwischen der Verlagerung und dem Dichtungsliniendruckwurden erfasst, und es wurden die in 6 gezeigtenErgebnisse erhalten.
    [0064] AlsErgebnis war im „Vergleich" das Dichtungselement 3 selbstleicht verformbar, so dass der Dichtungsliniendruck (oder der Dichtungsoberflächendruck)erwartungsgemäß reduziertist. Im Falle der „Ausführung" konnten hingegendie gewünschten Dichtungseigenschaftenin dem Bereich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze der Komprimierbarkeiterhalten werden, wie sie durch die Höhe H2 angegeben ist. Im Falleder „Ausführung" wurde darüber hinausein geeigneter Dichtungsdruck erhalten, und die Oberflächendruckverteilungauf der Elektrodenoberflächelag ebenfalls im richtigen Bereich. Wenn die Obergrenze (d. h. derBereich der HöheH1) der Komprimierbarkeit überschrittenwurde, konnte die Federkonstante der Ausführung verbessert werden, umdie gewünschteFestigkeit (oder Zähigkeit)zu halten, obwohl das Dichtungselement 3 des Vergleichszu stark zusammengedrücktwurde.
    [0065] 7 ist eine Querschnittsansichteines Dichtungselements 18, das für die Brennstoffzelle gemäß einerzweiten Ausführungder Erfindung verwendet wird.
    [0066] DasDichtungselement 80 ist mit der Oberfläche 18a des erstenMetallseparators 18 integriert und ist versehen mit demKörperbasisabschnitt 58,der einen trapezförmigenQuerschnitt hat, und einer Mehrzahl von z. B. drei vorstehendenAbschnitten 82a, 82b und 82c, die mitdem Außenendedes Körperbasisabschnitts 58 integriertsind.
    [0067] DerKörperbasisabschnitt 58 istso eingestellt, dass er die HöheH1 hat, um die gewünschte Federkonstantezu halten, die fürStoßabsorption oderdergleichen erforderlich ist. Andererseits sind die vorstehendenAbschnitte 82a, 82b und 82c so eingestellt,dass sie die HöheH2 haben, um zu verhindern, dass sich der Liniendruck des Dichtungselementsabrupt ändert,und um die Festigkeiten der vorstehenden Abschnitte 82a, 82b und 82c selbstzu halten.
    [0068] Inder wie oben strukturierten zweiten Ausführung können die vorstehenden Abschnitte 82a, 82b und 82c nichtnur die Kontaktflächenmit dem Dichtungselement effizient halten, sondern auch die gewünschtenDichtungseigenschaften in einer Weise, um Fluktuationen der Höhe des Dichtungselementszu folgen. Darüberhinaus kann der Körperbasisabschnitt 58 diegewünschteFestigkeit (oder Zähigkeit) verbessern,damit er ein zu starkes Zusammendrücken des Dichtungselements 80 selbstaushält,so dass auch die gleichen Effekte wie jene in der ersten Ausführung erreichtwerden können.
    [0069] 8 ist ein erläuternderQuerschnitt eines Dichtungselements 90, das für die Brennstoffzelle gemäß einerdritten Ausführungder Erfindung verwendet wird.
    [0070] DasDichtungselement 90 ist mit der Oberfläche 18a des erstenMetallseparators 19 integriert und ist versehen mit einemKörperbasisabschnitt 92,der einen trapezförmigenQuerschnitt aufweist, und einem bogenförmigen Außenendabschnitt 94,der in einer vorbestimmten Krümmungmit dem Außenende desKörperbasisabschnitts 92 integriertist und weicher gemacht ist als der Körperbasisabschnitt 92. Insbesondereist der bogenförmigeAußenendabschnitt 94 auseinem Kompositmaterial gemacht, hergestellt durch ein Vermischeneines Materials geringerer Härteals dem, aus dem der Körperbasisabschnitt 92 gemachtist.
    [0071] EinKrümmungsradiusR2 des bogenförmigenAußenendabschnitts 94 istin einem Bereich von 1,0 min bis 3,0 min eingestellt, und das Aspektverhältnis T/Wdes Dichtungselements 90, d. h. die Höhe des Höhenmaßes T des bogenförmigen Außenendabschnitts 94 zudem Breitenmaß Wdes Körperbasisabschnitts 92,ist auf eine Beziehung von T/W ≤ 1,5eingestellt. Der Körperbasisabschnitt 92 ist aufdie HöheH1 eingestellt, und der bogenförmige Außenendabschnitt 94 istauf die HöheH2 eingestellt.
    [0072] Inder so strukturierten dritten Ausführung kann der bogenförmige Außenendabschnitt 94 die Kontaktfläche mitdem Dichtungselement effizient einhalten. Gleichzeitig ist der bogenförmige Außenendabschnitt 94 weichergemacht als der Körperbasisabschnitt 92,so dass er den Höhenfluktuationen desDichtungselements folgen kann, um hierdurch die gewünschtenDichtleistungen zu halten. Darüber hinauskann der Körperbasisabschnitt 92 diegewünschteFestigkeit (oder Zähigkeitgegen zu starkes Zusammendrückendes Dichtungselements 90 selbst verbessern, so dass gleicheWirkungen wie jene der ersten und zweiten Ausführungen erreicht werden können.
    [0073] Hierkann der bogenförmigeAußenendabschnitt 94 miteiner Mehrzahl von (nicht gezeigten) vorstehenden Abschnitten versehensein. Im Ergebnis kann die dritte Ausführung einen Effekt erreichen,dass die Dichtungsleistungen des Dichtungselements 90 weiterverbessert sind.
    [0074] Inder erfindungsgemäßen Brennstoffzelleist das Dichtungselement mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitteam Außenendedes Körperbasisabschnittsversehen, so dass dessen Kontaktfläche größer gemacht werden kann alsdie der Einzellippenform der verwandten Technik, wodurch die gewünschtenDichtungsleistungen erhalten werden können. Darüber hinaus sind die einzelnenvorstehenden Abschnitte relativ verformbar gemacht, so dass sieden Höhenfluktuationendes Dichtungselements leicht folgen können, um hierdurch die gewünschtenDichteigenschaften mit der einfachen Struktur zu erhalten. Daherkann die zufriedenstellende Dichtleistung auch insbesondere gegenüber deminnewohnenden Phänomender ersten und zweiten Metallseparatoren aufgezeigt werden, z. B. derVerformung aufgrund des Gasdrucks in der Brennstoffzelle, oder derVerformung, der Aufwölbungoder Verformung der Oberfläche.Darüberhinaus ist die Festigkeit der einzelnen gestapelten Stromerzeugungszellengegenübereiner Verlagerung verbessert, so dass sie zuverlässig aneinander gehalten werdenkönnen.
    [0075] Zusätzlich können dieeinzelnen vorstehenden Abschnitte leicht verformt werden, um denrichtigen Dichtungsoberflächendruck(oder den Dichtungsliniendruck) auf die Dichtungsabschnitte auszuüben, sodass sich kein übermäßiger Dichtungsoberflächendruckaufbaut. Daher kann die Oberflächendruckverteilungin der Elektrodenoberflächerichtig gehalten werden, um wirkungsvoll zu verhindern, dass verschiedeneTeile einschließlichder Elektrolyt-/Elektrodenstruktur beschädigt werden.
    [0076] Darüber hinausist der Körperbasisabschnitt mitdem trapezförmigenQuerschnitt ausgebildet, so dass er die gewünschte Festigkeit (oder Zähigkeit) desDichtungselements gegenüberzu starkem Zusammendrückenverbessern kann. Wenn die Brennstoffzelle zur Verwendung in einemFahrzeug gestapelt werden, ist es daher möglich, die gewünschten Dichtungseigenschaftenzu erhalten und die Vibrations- und Stoßbeständigkeiten zu verbessern.
    [0077] Indem Zustand, wo die vorstehenden Abschnitte in Kontakt mit dem Dichtungselementgedrücktwerden, kann noch weiter der Außenendabschnittdes Dichtungselements der Oberflächenrichtung(oder der Querrichtung) des Dichtungselements integral mit dem Körperbasisabschnittfolgen. Auch wenn Vibrationen oder Stöße ausgeübt werden, können daherdie gewünschtenDichtungseigenschaften zuverlässigeingehalten werden.
    [0078] Einerstes Dichtungselement 50 ist mit der Oberfläche 18a desersten Metallseparators 18 integriert und ist mit einemKörperbasisabschnitt 58 trapezförmigen Querschnittsund mit zwei vorstehenden Abschnitten 60a und 60b versehen,die mit dem Außenendedes Körperbasisabschnitts 58 integriert sind,wobei der Körperbasisabschnitt 58 aufeine HöheH1 eingestellt ist, um die gewünschteFederkonstante zu halten, die fürStoßabsorptionenerforderlich ist, und die vorstehenden Abschnitte 60a und 60b aufeine HöheH2 eingestellt sind, um zu verhindern, dass sich der Liniendruckdes Dichtungselements abrupt ändert,und um die Festigkeiten der vorstehenden Abschnitte 60a und 60b selbsteinzuhalten.
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur,die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist, eineMehrzahl von Separatoren die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstrukturgestapelt sind, wobei jeder der Mehrzahl von Separatoren an seinereinen Seite ausgebildete Reaktionspassagen enthält, um ein Reaktionsgas inder Oberflächenrichtungder Elektroden zu fördern,wobei die Reaktionsgaspassagen mit Verbindungslöchern in Verbindung stehen,die zumindest ein Reaktionsgaseinführverbindungsloch und ein Reaktionsgasausführverbindungslochenthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, worin dieSeparatoren mit Dichtungselementen integriert sind, um zumindestUmgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und wobeiferner die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnittsowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte enthalten, die mit denAußenendender Körperbasisabschnitteintegriert sind.
    [2] Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur,die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist,und eine Mehrzahl von Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstrukturgestapelt sind, wobei jeder der Separatoren an seiner einen Seiteausgebildete Kühlmittelpassagenenthält,um ein Kühlmittelin der Oberflächenrichtungder Elektroden zu fördern,wobei die Kühlmittelpassagenmit Verbindungslöchern inVerbindung stehen, die zumindest ein Kühlmitteleinführverbindungslochund ein Kühlmittelausführverbindungslochenthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, worin dieSeparatoren mit Dichtungselementen integriert sind, um zumindestUmgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und wobeiferner die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnittsowie eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte enthalten, die mit denAußenendender Körperbasisabschnitteintegriert sind.
    [3] Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur,die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist,und eine Mehrzahl von Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstrukturgestapelt sind, wobei jeder der Separatoren an seiner einen Seiteausgebildete Reaktionsgaspassagen zum Fördern eines Reaktionsgasesin der Oberflächenrichtungder Elektroden sowie an seiner anderen Seite ausgebildete Kühlmittelpassagenzum Förderneines Kühlmittelsin der Oberflächenrichtungder Elektroden enthält,wobei die Reaktionsgaspassagen mit Verbindungslöchern in Verbindung stehen,die zumindest ein Reaktionsgaseinführverbindungsloch und ein Reaktionsgasausführverbindungslochenthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, und wobeidie Kühlmittelpassagen mitVerbindungslöchernin Verbindung stehen, die zumindest ein Kühlmitteinführverbindungsloch und ein Kühlmittelausführverbindungslochenthalten, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, worin dieSeparatoren mit Dichtungselementen integriert sind, um zumindestUmgebungen der Elektroden und der Verbindungslöcher abzudecken, und worinferner die Dichtungselemente Körperbasisabschnitte mit trapezförmigem Querschnittsowie bogenförmigeAußenendabschnittemit einer vorbestimmten Krümmungenthalten, die mit den Außenendender Körperbasisabschnitteintegriert sind und aus einem Material hergestellt sind, das stärker verformbarist als das der Körperbasisabschnitte.
    [4] Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis3, worin die Separatoren aus wellenförmigen Metallplatten hergestelltsind.
    [5] Brennstoffzelle nach Anspruch 3, worin die bogenförmigen Außenenabschnittemit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte versehen sind.
    [6] Brennstoffzelle umfassend: eine Elektrolyt-/Elektrodenstruktur,die ein zwischen einem Elektrodenpaar angeordnetes Elektrolyt aufweist; eineMehrzahl von Separatoren, die auf die Elektrolyt-/Elektrodenstrukturgestapelt sind, wobei jeder der Separatoren an seiner einen Seiteausgebildete Reaktionsgaspassagen enthält, um ein Reaktionsgas in derOberflächenrichtungder Elektroden zu fördern, und Dichtungselemente,welche die Separatoren abdichten, worin die Dichtungselemente Körperbasisabschnittemit trapezförmigemQuerschnitt und eine Mehrzahl vorstehender Abschnitte enthalten,die mit den Außenendender Körperbasisabschnitteintegriert sind.
    [7] Brennstoffzelle nach Anspruch 6, worin die Dichtungselementemit den Separatoren integriert sind.
    [8] Brennstoffzelle nach Anspruch 6, worin die Separatorenaus einer wellenförmigenMetallplatte hergestellt sind.
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    同族专利:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-12-09| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2013-04-08| R016| Response to examination communication|
    2015-12-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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