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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln von Membran-Elektroden-Baugruppen und Separatoren gebildet ist. Jede der Membran-Elektroden-Baugruppen umfasst ein Paar von Elektroden und eine Elektrolytmembran, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Brennstoffzelle.
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Beschreibung des Standes der Technik:
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Zum Beispiel verwendet eine Brennstoffzelle mit Feststoffpolymerelektrolyt eine Feststoffpolymer-Elektrolytmembran. Die Feststoffpolymer-Elektrolytmembran ist eine polymerische Ionenaustauschmembran. In der Brennstoffzelle ist die Feststoffpolymer-Elektrolytmembran zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet, so dass sie eine Membran-Elektroden-Baugruppe (Elektrolyt-Elektroden-Baugruppe) (MEA, Membrane Electrode Assembly) bildet. Die Anode und die Kathode umfassen jeweils eine Elektrolytkatalysatorschicht und porösen Kohlenstoff. Die Membran-Elektroden-Baugruppe ist zwischen zwei Separatoren (bipolaren Platten) angeordnet, so dass sie eine Zelleinheit bildet. Bei der Verwendung sind im Allgemeinen eine vorbestimmte Anzahl von Zelleinheiten zu einem Stapel zusammengefügt, so dass sie einen Brennstoffzellenstapel bilden, der zum Beispiel in einem Fahrzeug montiert ist.
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Die Separatoren umfassen einen anodenseitigen Separator mit einem Feld für den Brenngasfluss, der zu der Anode gerichtet ist, um zu ermöglichen, dass Brenngas an der Anode entlang fließt, und einen kathodenseitigen Separator, der ein Feld für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas aufweist, das in Richtung der Kathode gerichtet ist, um zu ermöglichen, dass ein sauerstoffhaltiges Gas die Kathode entlang fließt. Der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator überlappen einander, so dass sie ein Feld für Kühlmittelfluss bilden, das ermöglicht, dass ein Kühlmittel den anodenseitigen Separator und den kathodenseitigen Separator entlang fließt.
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Deshalb müssen insbesondere im Falle der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, der in einem Fahrzeug montiert ist, eine ziemlich große Anzahl von Membran-Elektroden-Baugruppen, anodenseitigen Separatoren und kathodenseitigen Separatoren einzeln vorbereitet werden. Daher sind solche Teile kompliziert, die Leistungsfähigkeit der Montage des Brennstoffzellenstapels ist gering und der Brennstoffzellenstapel kann nicht effizient hergestellt werden.
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In diesem Hinblick ist zum Beispiel eine Brennstoffzelle bekannt, die in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-176490 offenbart ist. Wie in
13 gezeigt ist, umfasst eine solche Brennstoffzelle eine erste Separatorplatte
2 und eine zweite Separatorplatte
4. Die erste Separatorplatte
2, die aus porösem Material hergestellt ist, hat ein Feld für den Brenngasfluss
1 zur Versorgung einer Brennstoffelektrode mit Brenngas. Die zweite Separatorplatte
4, die ebenfalls aus einem porösem Material hergestellt ist, hat ein Feld
3 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas zur Versorgung einer Elektrode für sauerstoffhaltiges Gas mit sauerstoffhaltigem Gas.
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Die erste Separatorplatte 2 und die zweite Separatorplatte 4 sind aneinander befestigt, so dass sie ein Feld 5 für den Fluss von Kühlwasser zwischen der ersten Separatorplatte 2 und der zweiten Separatorplatte 4 bilden. An den seitlichen Oberflächen der ersten Separatorplatte 2 und der zweiten Separatorplatte 4 ist eine Klebefolie 6 befestigt. Auf die Oberflächen, an denen die erste Separatorplatte 2 und die zweite Separatorplatte 4 miteinander verbunden sind, ist kein Klebstoff appliziert.
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Wenn sich folglich nach dieser Offenbarung Wasser in dem Feld 5 für den Fluss von Kühlwasser von dem Feld 1 für den Brenngasfluss zu dem Feld 3 für Fluss von sauerstoffhaltigem Gas bewegt, verhindert kein wasserabweisender Klebstoff die Bewegung von Wasser.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-176490 ist, um sicherzustellen, dass die Bewegung von Wasser nicht verhindert wird, die Klebefolie
6 nur an seitlichen Oberflächen der ersten Separatorplatte
2 und der zweiten Separatorplatte
4 befestigt. Folglich ist die Festigkeit der Verklebung der ersten Separatorplatte
2 und der zweiten Separatorplatte
4 gering, und folglich kann die erste Separatorplatte
2 leicht von der zweiten Separatorplatte
4 gelöst werden.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-176490 offenbart eine Ausführungsform, in der Klebstoff nur auf Oberflächen appliziert ist, an denen die erste Separatorplatte
2 und die zweite Separatorplatte
4 miteinander verbunden sind. Da der Klebstoff jedoch einfach auf Oberflächen appliziert ist, an denen die erste Separatorplatte
2 und die zweite Separatorplatte
4 miteinander verbunden sind, kann eine ausreichende Festigkeit der Verklebung nicht erreicht werden. Da eine Klebefolie auf den seitlichen Oberflächen der ersten Separatorplatte
2 und der zweiten Separatorplatte
4 nicht vorgesehen ist, bedeutet dies, dass sich ein Nachteil dahingehend ergibt, dass die Festigkeit der Verklebung gering ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde als Lösung für Probleme dieses Typs gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle bereitzustellen, die es ermöglichen, dass Separatoren oder Membran-Elektroden-Baugruppen leicht und zuverlässig miteinander verklebt werden, um dadurch die gesamte Brennstoffzelle mit einer einfache Struktur effizient herzustellen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln von Membran-Elektroden-Baugruppen und Separatoren gebildet wird. Jede der Membran-Elektroden-Baugruppen umfasst ein Paar von Elektroden, und eine elektrolytische Membran ist zwischen den Elektroden angeordnet.
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In der Brennstoffzelle ist eine Stufe auf einem Ende am Außenumfang von wenigstens einem der nebeneinanderliegenden Separatoren derart vorgesehen, dass die Stufe von einem Ende am Außenumfang von dem anderen der Separatoren beabstandet ist, um so durch Füllen eines Spalts zwischen den Enden am Außenumfang der nebeneinanderliegenden Separatoren mit einem Klebstoff eine Klebstoffschicht zu bilden, wobei die Klebstoffschicht dazu vorgesehen ist, die Endflächen am äußeren Umfang der Separatoren ab der Stufe zu bedecken.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist in der Brennstoffzelle weiter ein Harzrahmenelement zusammenhängend mit einem Außenumfang der Membran-Elektroden-Baugruppe ausgebildet. In nebeneinanderliegenden Membran-Elektroden-Baugruppen, zwischen denen der Separator angeordnet ist, ist an einem Ende am Außenumfang von wenigstens einem der nebeneinanderliegenden Harzrahmenelemente eine Stufe derart vorgesehen, dass die Stufe von einem Ende am Außenumfang des anderen Harzrahmenelements beabstandet ist, um so durch Füllen eines Spalts zwischen den Enden am Außenumfang der nebeneinander liegenden Harzrahmenelemente mit einem Klebstoff eine Klebstoffschicht zu bilden. Weiter ist die Klebstoffschicht dazu vorgesehen, die Endflächen am äußeren Umfang der Harzrahmenelemente ab der Stufe zu bedecken.
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Weiter umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle ein erstes Verformungswerkzeugelement und ein zweites Verformungswerkzeugelement. In einem Zustand, in dem zwei Verklebungsobjekte der Separatoren oder der Membran-Elektroden-Baugruppen zusammen gestapelt werden, und ein Klebstoff als eine Klebstoffschicht auf einer Stufe, die zwischen den zwei Verklebungsobjekten gebildet ist, bereitgestellt ist, berührt das erste Verformungswerkzeugelement eines der Verklebungsobjekte und das zweite Verformungswerkzeugelement berührt das andere der Verklebungsobjekte.
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In einem Zustand, in dem das erste Verformungswerkzeugelement und das zweite Verformungswerkzeugelement miteinander geschlossen werden, wird dann ein Raum zwischen den Endflächen am äußeren Umfang der Verklebungsobjekte bereitgestellt, um eine Endflächen-Klebschicht zu bilden.
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In der vorliegenden Erfindung ist die Klebstoffschicht auf der Stufe zwischen Enden am Außenumfang der nebeneinander liegenden Separatoren gebildet. In einer solchen Struktur wird die Festigkeit der Verklebung des Klebstoffs geeignet verbessert. Weiter ist die Klebstoffschicht dazu vorgesehen, Endflächen am äußere Umfang der Separatoren ab der Stufe zu bedecken. Da die Klebstoffschicht auf der Stufe bereitgestellt ist, die zwischen Enden am Außenumfang und Endflächen am äußeren Umfang der Separatoren gebildet ist, kann folglich in nebeneinander liegenden Separatoren eine gewünschte Festigkeit der Verklebung zuverlässig erreicht werden.
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Mit einer solchen einfachen Struktur können die Separatoren einfach und zuverlässig miteinander verklebt werden, und die gesamte Brennstoffzelle kann effizient und vorteilhaft hergestellt werden.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist die Klebstoffschicht weiter auf der Stufe zwischen Enden am Außenumfang der nebeneinander liegenden Harzrahmenelemente gebildet. In einer solchen Struktur ist die Festigkeit des Klebstoffs geeignet verbessert. Weiter ist die Klebstoffschicht dazu vorgesehen, die Endflächen am äußeren Umfang der Harzrahmenelemente ab der Stufe zu bedecken. Da die Klebstoffschicht auf der Stufe, die zwischen Enden am Außenumfang und Endflächen am äußeren Umfang der Harzrahmenelemente gebildet ist, bereitgestellt ist, kann folglich in den nebeneinander liegenden Membran-Elektroden-Baugruppen eine gewünschte Festigkeit der Verklebung zuverlässig erreicht werden.
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Mit einer einfachen Struktur können die Membran-Elektroden-Baugruppen einfach und zuverlässig miteinander verklebt werden, und die Herstellung der gesamten Brennstoffzelle kann effizient und vorteilhaft erfolgen.
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen im Anhang begriffen werden, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als veranschaulichendes Beispiel gezeigt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II in 1, der die Brennstoffzelle zeigt;
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3 ist eine Frontansicht, die den metallischen Separator zeigt;
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4 ist ein Querschnitt entlang einer Linie IV-IV in 1 der die Brennstoffzelle zeigt;
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5 ist eine Frontansicht, die eine Membran-Elektroden-Baugruppe der Brennstoffzelle zeigt;
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6 ist eine perspektivische Ansicht, die Hauptkomponenten einer Vorrichtung zur Herstellung des metallischen Separators zeigt;
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7 ist eine Ansicht, die Arbeitsvorgänge der Herstellungsvorrichtung zeigt,
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8 ist eine Ansicht, die Arbeitsvorgänge der Herstellungsvorrichtung zeigt;
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9 ist eine perspektivische Ansicht, die Hauptkomponenten einer anderen Herstellungsvorrichtung zeigt;
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10 ist eine Ansicht, die Arbeitsvorgänge der Herstellungsvorrichtung zeigt,
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11 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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12 ist ein Querschnitt entlang der Linie XII-XII in 11, der die Brennstoffzelle zeigt, und
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13 ist eine Ansicht, die Hauptkomponenten der Brennstoffzelle zeigt, die in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-176490 zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist eine Brennstoffzelle 10 nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch abwechselndes Stapeln von metallischen Separatoren 12 und Membran-Elektroden-Baugruppen (MEAs) 14 gebildet.
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Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Membran-Elektroden-Baugruppe 14 eine Anode 18, eine Kathode 20 und eine Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 16, die zwischen der Anode 18 und der Kathode 20 angeordnet ist. Die Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 16 ist beispielsweise durch Imprägnieren einer dünnen Membran aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser gebildet. Die Anode 18 und die Kathode 20 umfassen jede eine Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt), wie etwa Kohlepapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht gezeigt) aus Platinlegierung, die von porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht abgeschieden. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 18 bzw. die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 20 sind an den beiden Oberflächen der Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 16 befestigt.
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Die Oberfläche der Feststoffpolymer-Elektrolytmembran ist gleich oder größer als die Oberfläche der Anode 18 und der Kathode 20. Ein Harzrahmen (Rahmenelement) 22 ist zusammenhängend mit dem Ende am Außenumfang der Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 16 ausgebildet, zum Beispiel durch Spritzgießen. Als Harzmaterial kann neben einem Allzweck-Kunststoff zum Beispiel technischer Kunststoff oder technischer Superkunststoff oder dergleichen verwendet werden.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist an einem Ende (oberes Ende) des Rahmens 22 in der Richtung, die durch den Pfeil C angezeigt ist, ein Versorgungsdurchlass 24a für sauerstoffhaltiges Gas zur Versorgung mit einem sauerstoffhaltigen Gas, ein Versorgungsdurchlass 26a für Kühlmittel zur Versorgung mit einem Kühlmittel, und ein Versorgungsdurchlass 28a für Brenngas zur Versorgung mit einem Brenngas wie etwa wasserstoffhaltigem Gas in einer horizontalen Richtung angeordnet, die durch den Pfeil B angezeigt ist. Der Versorgungsdurchlass 24a für sauerstoffhaltiges Gas, der Versorgungsdurchlass 26a für Kühlmittel und der Versorgungsdurchlass 28a für Brenngas erstrecken sich durch den Rahmen 22 in die Richtung, die durch den Pfeil A angezeigt ist.
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An dem anderen Ende (unteres Ende) des Rahmens 22 in der Richtung, die durch den Pfeil C angezeigt ist, sind ein Ableitungsdurchlass 28b für Brenngas zum Ableiten des Brenngases, ein Ableitungsdurchlass 26b für Kühlmittel zum Ableiten des Kühlmittels und ein Ableitungsdurchlass 24b für sauerstoffhaltiges Gas zum Ableiten des sauerstoffhaltigem Gases in der horizontalen Richtung, die durch den Pfeil B angezeigt ist, angeordnet. Der Ableitungsdurchlass 28b für Brenngas, der Ableitungsdurchlass 26b für Kühlmittel und der Ableitungsdurchlass 24b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken sich durch den Rahmen 22 in die Richtung, die durch den Pfeil A angezeigt ist.
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Der äußere Umfang des metallischen Separators 12 ist innerhalb des Versorgungsdurchlasses 24a für sauerstoffhaltiges Gas, des Versorgungsdurchlasses 26a für Kühlmittel, dem Versorgungsdurchlass 28a für Brenngas, den Ableitungsdurchlass 28b für Brenngas, den Ableitungsdurchlass 26b für Kühlmittel und den Ableitungsdurchlass 24b für sauerstoffhaltiges Gas angeordnet.
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Wie später beschrieben wird, ist der metallische Separator 12 durch Zusammenkleben des Separators der Anode 32 und des Separators der Kathode 34 gebildet. Der Separator der Anode 32 liegt der Anode 18 der Membran-Elektroden-Baugruppe 14 gegenüber, wohingegen der Separator der Kathode 34 der Kathode 20 der Membran-Elektroden-Baugruppe 14 gegenüberliegt. Zum Beispiel sind der Separator der Anode 32 und der Separator der Kathode 34 aus Stahlplatten, Platten aus rostfreiem Stahl, Aluminiumplatten, plattierten Stahlblechen oder Metallplatten, auf die eine anti-korrosive Oberfläche durch eine Oberflächenbehandlung aufgebracht ist, hergestellt.
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Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Feld 36 für den Fluss von Brenngas auf dem Separator 32 der Anode des metallischen Separators 12 durch Druckumformung und Einbringung von Wellen in den Separator 32 der Anode ausgebildet, sodass es im Querschnitt Furchen und Erhöhungen aufweist. Das Feld 36 für den Brenngasfluss erstreckt sich in die Richtung, die mit dem Pfeil C bezeichnet ist, um zu ermöglichen, dass Brenngas vertikal von oberen zu unteren Positionen fließt.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas auf dem Separator 34 der Kathode des metallischen Separators 12 durch Druckumformen und Einbringen von Wellen in den Separator 34 der Kathode ausgebildet, so dass es im Querschnitt Erhöhungen und Furchen aufweist. Das sauerstoffhaltige Gas fließt in dem Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas in die Richtung, die durch den Pfeil C angezeigt ist. Mehrere Kühlmittel-Versorgungslöcher 40a sind oberhalb des Feldes 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas ausgebildet, und mehrere Kühlmittel-Ableitungslöcher 40b sind unterhalb des Feldes 38 für Fluss von sauerstoffhaltigem Gas ausgebildet.
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Ein Feld 42 für Kühlmittelfluss ist innerhalb des metallischen Separators 12 ausgebildet. Das Feld 42 für Kühlmittelfluss ist mit den Kühlmittel-Versorgungslöchern 40a und den Kühlmittel-Ableitungslöchern 40b verbunden, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel in die Richtung fließt, die mit dem Pfeil C bezeichnet ist (siehe 1 und 4). Das Feld 42 für Kühlmittelfluss ist zwischen der rückseitigen Oberfläche des Feldes 36 für Brenngasfluss und der rückseitigen Oberfläche des Feldes 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas ausgebildet, wenn das Feld 36 für den Brenngasfluss auf der rückseitigen Oberfläche und das Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas auf der rückseitigen Oberfläche einander überlappen.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist in dem metallischen Separator 12 eine Stufe 34a an dem Ende am Außenumfang des Separators 34 der Kathode vorgesehen. Die Stufe 34a ist von dem Ende am Außenumfang des Separators 32 der Anode beabstandet. Eine Klebstoffschicht 43 ist auf der Stufe 34a zwischen dem Ende am Außenumfang des Separators 34 der Kathode und dem Ende am Außenumfang des Separators 32 der Anode gebildet. Es ist ausreichend, wenn die Stufe 34a nur auf Seiten vorgesehen ist, auf denen es erforderlich ist, den Separator 34 der Kathode und den Separator 32 der Anode miteinander zu verkleben.
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Die Klebstoffschicht 43 ist aus Klebstoff hergestellt, zum Beispiel ist sie eine Klebefolie 64 aus Heißkleber (die später beschrieben ist). Die Klebstoffschicht 43 bedeckt Endflächen am äußere Umfang des Separators 34 der Kathode und des Separators 32 der Anode ab der Stufe 34a. Die Klebstoffschicht 43 ist mit einem Abstand S oberhalb des unteren Endes der Endfläche am äußeren Umfang des Separators 32 der Anode angeordnet. Ein organischer Klebstoff, der Klebstoffe auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET) und Urethan enthält, wird als Heißklebstoff-Klebefolie 64 verwendet.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Dichtungselement 44 zusammenhängend mit dem Rahmen 22 ausgebildet. Das Dichtungselement 44 ist aus einem Dichtungsmaterial hergestellt, beispielsweise einem Dehnungsmaterial oder einem Dichtungsmaterial wie etwa EPDM-Gummi (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), NBR (Nitrilgummi), Fluorelastomer, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi (Isobuten-Isopren-Gummi), Styrolgummi, Chloroprengummi oder Acrylgummi hergestellt.
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Wie in 5 gezeigt ist, umfasst das Dichtungselement 44 eine erste Dichtung 44a auf der Oberfläche des Rahmens 22, die zu der Kathode 20 gerichtet ist. Die erste Dichtung 44a ist um den Versorgungsdurchlass 26a für Kühlmittel, den Versorgungsdurchlass 28a für Brenngas, den Ableitungsdurchlass 28b für Brenngas und den Ableitungsdurchlass 26b für Kühlmittel ausgebildet, um Leckage von sauerstoffhaltigem Gas aus dem Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas zu verhindern, und zugleich zu ermöglichen, dass das sauerstoffhaltige Gas von dem Versorgungsdurchlass 24a für sauerstoffhaltiges Gas zu dem Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas fließt und von dem Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas in den Ableitungsdurchlass 24b für sauerstoffhaltiges Gas fließt.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Dichtungselement 44 weiter eine zweite Dichtung 44b auf der Oberfläche des Rahmens 22, die in Richtung der Anode 18 gerichtet ist. Die zweite Dichtung 44b ist um den Versorgungsdurchlass 24a für sauerstoffhaltiges Gas den Versorgungsdurchlass 26a für Kühlmittel, den Ableitungsdurchlass 26b für Kühlmittel und den Ableitungsdurchlass 24b für sauerstoffhaltiges Gas gebildet, um Leckage von Brenngas aus dem Feld 36 für den Fluss von Brenngas zu verhindern, und zugleich zu ermöglichen, dass Brenngas von dem Versorgungsdurchlass 28a für Brenngas zu dem Feld 36 für den Fluss von Brenngas fließt, und von dem Feld 36 für den Fluss von Brenngas in den Ableitungsdurchlass 28b für Brenngas fließt.
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In der Brennstoffzelle 10 mit der oben genannten Struktur wird, wie in 1 gezeigt ist, das Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas des metallischen Separators 12 mit sauerstoffhaltigem Gas versorgt, das zu dem Versorgungsdurchlass 24 für sauerstoffhaltiges Gas geleitet wird. Nachdem das sauerstoffhaltige Gas entlang der Kathode 20 der Membran-Elektroden-Baugruppe 14 in Richtung des Pfeils C geflossen ist, wird das sauerstoffhaltige Gas in den Ableitungsdurchlass 24b für sauerstoffhaltiges Gas abgeleitet.
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Währenddessen wird ein Feld 36 für den Fluss von Brenngas des metallischen Separators 12 mit einem Brenngas wie etwa einem wasserstoffhaltigen Gas versorgt, das zu dem Versorgungsdurchlass 28a für Brenngas geleitet wird. Nachdem das Brenngas entlang dem Feld 36 für den Fluss von Brenngas in Richtung des Pfeils C geflossen ist, wird das Brenngas in den Ableitungsdurchlass 28b für Brenngas abgeleitet.
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Folglich werden sauerstoffhaltiges Gas, mit dem die Kathode 20 versorgt wird, und Brenngas, mit dem die Anode 18 versorgt wird, in der Membran-Elektroden-Baugruppe 14 in elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten der Kathode 20 und der Anode 18 verbraucht, um dadurch Elektrizität zu erzeugen.
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Weiter wird der Versorgungsdurchlass 26a für Kühlmittel mit einem Kühlmittel wie etwa reinem Wasser, Ethylenglykol oder Öl versorgt. Wie in 4 gezeigt ist, wird das Kühlmittel durch die Kühlmittel-Versorgungslöcher 40a, die in dem Separator 34 der Kathode des metallischen Separators 12 ausgebildet sind, in den metallischen Separator 12 eingeleitet.
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Das Feld 42 für den Fluss von Kühlmittel ist innerhalb des metallischen Separators 12 ausgebildet. Folglich wird, nachdem das Kühlmittel entlang dem Feld 42 für den Fluss von Kühlmittel in Richtung des Pfeils C geflossen ist, das Kühlmittel aus den Kühlmittel-Ableitungslöchern 40b in den Ableitungsdurchlass für Kühlmittel abgeleitet (siehe 1).
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Als nächstes werden unten Vorgänge zur Herstellung des metallischen Separators 12 beschrieben.
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Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, umfasst eine Herstellungsvorrichtung 50 ein erstes Verformungswerkzeugelement 52 und ein zweites Verformungswerkzeugelement 54. Das erste Verformungswerkzeugelement 52 und das zweite Verformungswerkzeugelement 54 bilden einen Heißsiegler, der eine Heizfunktion umfasst.
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Das erste Verformungswerkzeugelement 52 hat die Form eines rechteckigen Rahmens, der der äußeren Form des metallischen Separators 12 entspricht. Das erste Verformungswerkzeugelement 52 ist um den Separator 32 der Anode angeordnet, welches eines der Verklebeobjekte bildet. Das zweite Verformungswerkzeugelement 54 hat eine Form eines rechteckigen Rahmens, die der äußeren Form des metallischen Separators 12 entspricht. Das zweite Verformungswerkzeugelement 54 ist um den Separator 34 der Kathode angeordnet, die das andere der Verklebeobjekte bildet.
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Das zweite Verformungswerkzeugelement 54 weist einen Saum 56 auf, der in Richtung des ersten Verformungswerkzeugelement 52 um den Separator 34 der Kathode und den Separator 32 der Anode herum vorsteht. Eine Erweiterung 58, die nach innen vorsteht, ist auf der inneren Oberfläche an dem unteren Ende des Saums 56 gebildet. Wenn das erste Verformungswerkzeugelement 52 und das zweite Verformungswerkzeugelement 54 miteinander geschlossen werden, wie in 8 gezeigt ist, wird ein Raum 60, in dem eine Klebeschicht 43a an der Endfläche bereitgestellt ist, zwischen den Endflächen am äußeren Umfang des Separators 34 der Kathode und des Separators 32 der Anode gebildet. Die Erweiterung 58 berührt die Endfläche am äußeren Umfang des Separators 32 der Anode bis zu einer Position, die von dem unteren Ende des Separators 32 der Anode um einen Abstand S nach oben beabstandet ist.
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Das erste Verformungswerkzeugelement 52 ist mit einem ersten Setzwerkzeugelement 62a verbunden, und das zweite Verformungswerkzeugelement 54 ist mit einem zweiten Setzwerkzeugelement 62b verbunden. Das erste Setzwerkzeugelement 62a und das zweite Setzwerkzeugelement 62b sind relativ zueinander vor- und zurückbewegbar.
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In der Herstellungsvorrichtung 50 mit der oben genannten Struktur sind, wie in 7 gezeigt, in einem Zustand, in dem das erste Verformungswerkzeugelement 52 und das zweite Verformungswerkzeugelement 54 voneinander beabstandet sind, der Separator 32 der Anode und der Separator 34 zwischen dem ersten Verformungswerkzeugelement 52 und dem zweiten Verformungswerkzeugelement 54 aufeinander gestapelt. Eine Heißklebstofffolie 64 ist zwischen dem Separator 32 der Anode und dem Separator 34 der Kathode an einem Ort bereitgestellt, der der Stufe 34a entspricht.
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Wie in 8 gezeigt ist, werden das erste Verformungswerkzeugelement 52 und das zweite Verformungswerkzeugelement 54 auf eine vorbestimmte Temperatur geheizt und miteinander unter einem vorgegebenen Druck geschlossen. Folglich wird Druck auf den Separator 32 der Anode und den Separator 34 der Kathode in eine Richtung ausgeübt, die bewirkt, dass der Separator 32 der Anode und der Separator 34 der Kathode in festem Kontakt miteinander angeordnet sind, und danach werden der Separator 32 der Anode und der Separator 34 der Kathode aufgeheizt. Die Heißklebstoff-Folie 64, die in flüssigem Zustand ist, fließt von der Stufe 34a in den Raum 60, wonach die Heißklebstoff-Folie 64 fest wird. Auf diese Weise wird die Klebstoffschicht 43 auf der Stufe 34a gebildet, wobei die Klebstoffschicht 43 die Klebstoffschicht 43a der Endfläche umfasst, die in dem Raum 60 gebildet ist.
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In der ersten Ausführungsform ist die Klebstoffschicht 43 auf der Stufe 34a zwischen den Enden am Außenumfang des Separators 32 der Anode und des Separators 34 der Kathode gebildet, die nebeneinander liegen. In dieser Struktur ist die Festigkeit der Verklebung durch die Heißklebstoff-Folie 64, die als Klebstoff dient, geeignet verbessert.
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Weiter ist die Klebstoffschicht 43 bereitgestellt, um die Endflächen am äußeren Umfang (die Klebstoffschicht 43a der Endfläche) des Separators der Anode und des Separators der Kathode ab der Stufe 34a zu bedecken. Folglich ist in dem Separator der Anode 32 und dem Separator der Kathode 34, die nebeneinander liegen, die Klebstoffschicht 43 zusammenhängend mit der Stufe 34a, die zwischen Enden am Außenumfang und Endflächen am äußeren Umfang des Separators 32 der Anode und des Separators 34 der Kathode gebildet ist, bereitgestellt. In einer solchen Struktur kann eine gewünschte Festigkeit der Verklebung für den metallischen Separator 12 zuverlässig erhalten werden.
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Mit einer einfachen Struktur können der Separator 32 der Anode und der Separator 34 der Kathode miteinander leicht und zuverlässig verklebt werden, und die gesamte Brennstoffzelle 10 kann effektiv und vorteilhaft hergestellt werden.
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Weiter berührt in der Herstellungsvorrichtung 50 die Erweiterung 58 die Endfläche am äußeren Umfang des Separators 32 der Anode bis zu einer Position, die von dem oberen Ende des Separators 32 der Anode um einen Abstand S nach oben beabstandet ist.
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Folglich tritt keine Leckage von Klebstoff aus dem Raum 60 nach außen auf.
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Obwohl der Separator 34 der Kathode die Stufe 34a aufweist, ist die vorliegende Erfindung in der ersten Ausführungsform in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Zum Beispiel kann die Stufe auf dem Separator 32 der Anode vorgesehen sein. Alternativ können Stufen jeweils sowohl auf dem Separator 34 der Kathode als auch auf dem Separator 32 der Anode vorgesehen sein.
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Weiter kann statt der Verwendung der Herstellungsvorrichtung 50 zum Beispiel die Herstellungsvorrichtung 65 verwendet werden, die in den 9 und 10 gezeigt ist. Die Herstellungsvorrichtung 65 umfasst ein erstes Verformungswerkzeugelement 66 und ein zweites Verformungswerkzeugelement 68. Das erste Verformungswerkzeugelement 66 und das zweite Verformungswerkzeugelement 68 sind im Wesentlichen gerade geformt.
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Das erste Verformungswerkzeugelement 66 und das zweite Verformungswerkzeugelement 68 führen einen Verklebevorgang nacheinander für jede der Seiten durch, die eine Verklebung mit dem metallischen Separator 12 erfordern. Das zweite Verformungswerkzeugelement 68 hat einen Saum 56 und eine Erweiterung 58. Der Verklebevorgang wird auf die gleiche Weise wie im Fall der Herstellungsvorrichtung 50 durchgeführt. Jedoch wird der Verklebevorgang nacheinander für jede der Seiten durchgeführt.
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11 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle 70 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Elemente, die diese umfasst, die die gleichen sind, wie die der Brennstoffzelle 10 nach der ersten Ausführungsform, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und detaillierte Beschreibungen solcher Merkmale sind weggelassen.
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Die Brennstoffzelle 70 wird durch Stapeln einer ersten Membran-Elektroden-Baugruppe 72, eines metallischen Separators 74, einer zweiten Membran-Elektroden-Baugruppe 76 und eines metallischen Separators 12 gebildet. Die erste Membran-Elektroden-Baugruppe 72 und die zweite Membran-Elektroden-Baugruppe 76 umfassen Harzrahmen (Rahmenelemente) 78, 80. Das Ende der Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 16 am äußeren Umfang ist in die Rahmen 78, 80 eingebettet.
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Wie in 12 gezeigt ist, sind dicke Abschnitte 78a, 80a, die in der Dickenrichtung (der Stapelrichtung wie durch den Pfeil A angezeigt) vergrößert sind, an Enden am Außenumfang der Rahmen 78, 80 vorgesehen. Der dicke Abschnitt 78a des Rahmens 78 weist eine Stufe 82, die von dem Rahmen 80 beabstandet ist, und eine Klebstoffschicht 84 auf, die auf der Stufe 82 zwischen den Rahmen 78, 80 ausgebildet ist.
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Die Klebstoffschicht 84 ist aus einer Heißklebstoff-Folie 64 hergestellt. Die Klebstoffschicht 84 ist dazu eingerichtet, die Endflächen am äußeren Umfang (die Klebstoffschicht 84a an der Endfläche) der Rahmen 78, 80 ab der Stufe 82 zu bedecken.
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Der metallische Separator 74 ist aus einer einzelnen metallischen Platte hergestellt. Ein Feld 36 für den Fluss von Brenngas und ein Feld 38 für den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas sind sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Metallplatte gebildet. Ein Feld für den Fluss von Kühlmittel ist in der Metallplatte nicht vorgesehen. Anders gesagt wird eine so genannte kühlungslose Struktur eingesetzt. Die metallische Platte ist zwischen einer ersten und einer zweiten Membran-Elektroden-Baugruppe 72 und 76 angeordnet, die miteinander verbunden sind.
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In der zweiten Ausführungsform mit der oben erwähnten Struktur ist die Klebstoffschicht 84 an der Stufe 82 zwischen den Enden am Außenumfang der Rahmen 78, 80, die nebeneinander angeordnet sind, gebildet. Folglich wird eine Verbesserung der Festigkeit der Verklebung durch die Heißklebstoff-Folie 64, die als Klebstoff dient, geeignet erreicht. Weiter ist die Klebstoffschicht 84 dazu vorgesehen, die Endflächen am äußeren Umfang (das heißt, die Klebstoffschicht 84a an der Endfläche) der Rahmen 78, 80 ab der Stufe 82 zu bedecken.
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Folglich ist in der ersten und der zweiten Membran-Elektroden-Baugruppe 72, 76, die nebeneinander liegen, die Klebstoffschicht 84 zusammenhängend mit der Stufe 82 vorgesehen, die zwischen den Enden am Außenumfang und den Endflächen am äußeren Umfang der ersten und der zweiten Membran-Elektroden-Baugruppe 72, 76 gebildet ist. Mit einer solchen Struktur kann eine gewünschte Festigkeit der Verklebung zuverlässig erreicht werden.
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Folglich erreicht man die selben Vorteile wie die der ersten Ausführungsform. Zum Beispiel können die erste Membran-Elektroden-Baugruppe 72 und die zweite Membran-Elektroden-Baugruppe leicht und zuverlässig miteinander verklebt werden mit dem Vorteil, dass die Brennstoffzelle 70 als Ganzes effizient hergestellt werden kann.
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Obwohl der Rahmen 78 die Stufe 82 umfasst, ist die vorliegende Erfindung in der zweiten Ausführungsform in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Zum Beispiel kann die Stufe auf dem Rahmen 80 vorgesehen sein. Alternativ können Stufen jeweils sowohl auf dem Rahmen 78 als auch auf dem Rahmen 80 vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009-176490 [0005, 0008, 0009, 0033]
