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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Feld der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungszelle.
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Beschreibung des verwandten Stands der Technik:
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Im Allgemeinen stellt eine Brennstoffzelle mit Feststoffpolymerelektrolyt eine Feststoffpolymerelektrolyt-Membran bereit. Die Feststoffpolymerelektrolyt-Membran ist eine Polymerionen-Austauschmembran. Die Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Feststoffpolymerelektrolyt-Membran, eine Anode, welche an einer Fläche der Feststoffpolymerelektrolyt-Membran bereitgestellt ist, und eine Katode an der anderen Fläche der Feststoffpolymerelektrolyt-Membran.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung ist zwischen Separatoren (bipolaren Platten) eingefasst, um eine Stromerzeugungszelle (Einheitsbrennstoffzelle) zu bilden. Im Gebrauch sind eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen zusammen gestapelt, um, zum Beispiel, einen Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel zu bilden, welcher in einem Fahrzeug angebracht ist.
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In dem Brennstoffzellenstapel ist ein Brennstoffgas-Strömungsfeld als eines von Reaktionsgas-Strömungsfeldern zwischen der MEA und einem der Separatoren gebildet und ein Sauerstoff enthaltendes Gas-Strömungsfeld ist, als das andere aus den Reaktionsgas-Strömungsfeldern, zwischen der MEA und dem anderen der Separatoren gebildet. Ferner erstrecken sich durch den Brennstoffzellenstapel in einer Stapelrichtung ein Brennstoffgas-Lieferdurchgang zum Liefern eines Brennstoffgases an das Brennstoffgas-Strömungsfeld, ein Brennstoffgas-Abgabedurchgang zum Abgeben des Brennstoffgases, ein Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas zum Liefern eines Sauerstoff enthaltenden Gases an das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas und Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas zum Abgeben des Sauerstoff enthaltenden Gases. Ein Einlass-Verbindungskanal ist zwischen dem Brennstoffgas-Strömungsfeld und dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang gebildet und ein Auslass-Verbindungskanal ist zwischen dem Brennstoffgas-Strömungsfeld und dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang gebildet. In ähnlicher Weise ist ein Einlass-Verbindungskanal zwischen dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas und dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas gebildet und ein Auslass-Verbindungskanal ist zwischen dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas und dem Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas gebildet (zum Beispiel in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung mit der Nr. 2009-076294).
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Zusammenfassung der Erfindung
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In diesem Zusammenhang, in dem Fall, in dem Wasser, welches in einer Stromerzeugungszelle produziert wird, an einem Auslass eines Reaktionsgas-Strömungsfelds zurückgehalten wird, ist die Leistung eines Verteilens des Reaktionsgases verändert und es kann nicht möglich sein, dass Reaktionsgas gleichmäßig über die gesamte Fläche des Reaktionsgas-Strömungsfelds zu verteilen. Aus diesem Grund ist die Stromerzeugungsleistung in einer ungewünschten Weise abgeschwächt.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des obigen Problems gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromerzeugungszelle bereitzustellen, welche es ermöglicht, die Leistung einer Abgabe des produzierten Wassers an einem Auslass eines Reaktionsgas-Strömungsfelds zu verbessern.
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Um die obige Aufgabe zu erreichen, umfasst eine Stromerzeugungszelle der vorliegenden Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung und einen Separator, welche zusammen in einer Dickenrichtung des Separators gestapelt sind. Ein Reaktionsgas-Strömungsfeld ist in der Stromerzeugungszelle gebildet. Das Reaktionsgas-Strömungsfeld ist dazu eingerichtet, einem Reaktionsgas zu erlauben, entlang einer Stromerzeugungsfläche von einem Ende zu einem anderen Ende des Separators zu strömen. Ein Reaktionsgas-Lieferdurchgang, welcher dazu eingerichtet ist, das Reaktionsgas in Richtung des Reaktionsgas-Strömungsfelds zu liefern, und ein Reaktionsgas-Abgabedurchgang als ein Durchgang des Reaktionsgases, welches durch das Reaktionsgas-Strömungsfeld hindurchgetreten ist, erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle in der Dickenrichtung des Separators. Eine Einlass-Verbindungs-Strömungsnut, welche dazu eingerichtet ist, den Reaktionsgas-Lieferdurchgang und das Reaktionsgas-Strömungsfeld zu verbinden, und eine Auslass-Verbindungs-Strömungsnut, welche dazu eingerichtet ist, den Reaktionsgas-Abgabedurchgang und das Reaktionsgas-Strömungsfeld zu verbinden, sind in der Stromerzeugungszelle gebildet. Ein Strömungskanal der Einlass-Verbindungs-Strömungsnut teilt sich in einem Bereich von dem Reaktionsgas-Lieferdurchgang zu dem Reaktionsgas-Strömungsfeld mehrmals auf und ein Strömungskanal der Auslass-Verbindungs-Strömungsnut läuft in einem Bereich von dem Reaktionsgas-Strömungsfeld zu dem Reaktionsgas-Abgabedurchgang mehrmals zusammen und die Anzahl von Malen, zu welcher der Strömungskanal der Auslass-Verbindungs-Strömungsnut zusammenläuft, ist größer als die Anzahl von Malen, zu welcher sich der Strömungskanal der Einlass-Verbindungs-Strömungsnut aufteilt.
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Vorzugsweise umfasst der Reaktionsgas-Lieferdurchgang einen Reaktionsgas-Lieferdurchgang, welcher an einem Zentrum des Separators in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung des Reaktionsgas-Strömungsfelds bereitgestellt ist, und der Reaktionsgas-Abgabedurchgang umfasst zwei Reaktionsgas-Abgabedurchgänge, welche an jeweiligen beiden Enden des Separators in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des Reaktionsgas-Strömungsfelds bereitgestellt sind.
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Vorzugsweise sind das Reaktionsgas-Strömungsfeld, die Einlass-Verbindungs-Strömungsnut und die Auslass-Verbindungs-Strömungsnut Strömungskanäle für ein Brennstoffgas.
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Vorzugsweise umfasst die Auslass-Verbindungs-Strömungsnut eine Mehrzahl von ersten Kanalsegmenten, welche voneinander durch eine Mehrzahl von Rippen getrennt sind, welche in einer Strömungsfeld-Breitenrichtung des Reaktionsgas-Strömungsfelds in Intervallen bereitgestellt sind, und eine Mehrzahl von zweiten Kanalsegmenten, welche voneinander durch einen Zwischenvorsprung getrennt sind, wobei der Zwischenvorsprung an einer Position bereitgestellt ist, welche näher zu dem Reaktionsgas-Abgabedurchgang bereitgestellt ist als die Mehrzahl von Rippen, und die Anzahl der zweiten Kanalsegmente ist kleiner als die Anzahl der ersten Kanalsegmente.
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Vorzugsweise ist der Zwischenvorsprung von der Mehrzahl von Rippen beabstandet.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Zwischenvorsprung in einer Richtung, welche eine Richtung schneidet, in welcher sich die Mehrzahl von Rippen erstrecken.
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Vorzugsweise weist eine aus der Mehrzahl von Rippen eine Länge auf, welche von Längen von anderen Rippen verschieden ist.
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In der Stromerzeugungszelle der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl eines Zusammenlaufens in den Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten größer als die Anzahl von Verzweigungen in den Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten. In der Struktur ist der Druckverlust, wenn das Reaktionsgas durch die Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten strömt, gesteigert. Daher ist es möglich, einen gewünschten Differenzialdruck zwischen dem Einlass und dem Auslass des Reaktionsgas-Strömungsfelds zu erreichen. Demgemäß ist es möglich, die Leistung einer Abgabe des produzierten Wassers an dem Auslass des Reaktionsgas-Strömungsfelds zu verbessern.
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Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als darstellendes Beispiel gezeigt ist.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Stromerzeugungszelle, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche die Stromerzeugungszelle zeigt;
- 3 ist eine Ansicht, welche eine Struktur eines ersten Metallseparators zeigt, wie von einer Seite gesehen, an welcher ein Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas vorhanden ist;
- 4 ist eine Ansicht, welche eine Struktur eines zweiten MetallSeparators zeigt, wie von einer Seite gesehen, an welcher ein Brennstoffgas-Strömungsfeld vorhanden ist;
- 5 ist eine vergrößerte Ansicht, welche einen zweiten Einlass-Verbindungskanal-Abschnitt zeigt; und
- 6 ist eine vergrößerte Ansicht, welche einen zweiten Auslass-Verbindungskanal-Abschnitt zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Stromerzeugungszelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
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Wie in 1 gezeigt umfasst ein Brennstoffzellenstapel 10 einen Stapelkörper 14, welcher durch Stapeln einer Mehrzahl von Stromerzeugungszellen (Brennstoffzellen) 12 in einer horizontalen Richtung (angezeigt durch einen Pfeil A) oder in einer Schwerkraftsrichtung (angezeigt durch einen Pfeil C) gebildet ist. Zum Beispiel ist der Brennstoffzellenstapel 10 in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, wie beispielsweise einem Brennstoffzellen-Elektroautomobil (nicht gezeigt) angebracht.
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An einem Ende des Stapelkörpers 14 in der Stapelrichtung, angezeigt durch den Pfeil A, ist eine Anschlussplatte (Stromsammelplatte) 16a bereitgestellt. Ein Isolator 18a ist an einer Außenseite der Anschlussplatte 16a bereitgestellt und eine Endplatte 20a ist an einer Außenseite des Isolators 18a bereitgestellt. An einem anderen Ende des Stapelkörpers 14 in der Stapelrichtung ist eine Anschlussplatte 16b bereitgestellt. Ein Isolator 18b ist außerhalb der Anschlussplatte 16b bereitgestellt und eine Endplatte 20b ist außerhalb des Isolators 18b bereitgestellt. Der Isolator 18a (einer der Isolatoren 18a, 18b) ist zwischen dem Stapelkörper 14 und der Endplatte 20a (einer der Endplatten 20a, 20b) bereitgestellt. Der andere Isolator 18b ist zwischen dem Stapelkörper 14 und der anderen Endplatte 20b bereitgestellt. Die Isolatoren 18a, 18b sind aus einem isolierenden Material gebildet, wie beispielsweise Polycarbonat (PC) oder Phenolharz, etc..
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Jede der Endplatten 20a, 20b weist eine lateral längliche (oder longitudinal längliche) rechteckige Form auf. Kopplungsstangen 24 sind zwischen den Seiten der Endplatten 20a, 20b positioniert. Beide Enden der Kopplungsstangen 24 sind an inneren Flächen der Endplatten 20a, 20b befestigt, um eine Spannungslast auf eine Mehrzahl von gestapelten Stromerzeugungszellen 12 in der Stapelrichtung, angezeigt durch den Pfeil A, einzuwirken. Es sei erwähnt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 ein Gehäuse aufweisen kann, welches die Endplatten 20a, 20b umfasst, und der Stapelkörper 14 kann in dem Gehäuse platziert sein.
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Wie gezeigt in 2 ist in der Stromerzeugungszelle 12 eine mit einem Harzfilm ausgestattete MEA 28 zwischen einem ersten Metallseparator 30 und einem zweiten Metallseparator 32 eingefasst. Jeder aus dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 ist durch Pressformen einer dünnen Metallplatte gebildet, um im Querschnitt eine korrugierte Form aufzuweisen. Zum Beispiel ist die Metallplatte eine Stahlplatte, eine rostfreie Stahlplatte, eine Aluminiumplatte, eine plattenförmige Stahlplatte oder eine Metallplatte mit einer Antikorrosions-Fläche durch Oberflächenbehandlung. Äußere Enden des ersten Metallseparators 30 und des zweiten Metallseparators 32 sind miteinander durch Schweißen, Löten, Kräuseln etc. verbunden, um einen verbundenen Separator 33 zu bilden.
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Die mit dem Harzfilm ausgestattete MEA 28 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 28a (nachfolgend als die „MEA 28a“ bezeichnet) und ein Harzrahmenelement 46, welches mit einem äußeren Umfangsabschnitt der MEA 28a verbunden ist und um diesen herum bereitgestellt ist. Die MEA 28a umfasst eine Elektrolytmembran 40, eine Anode (erste Elektrode) 42, welche an einer Fläche der Elektrolytmembran 40 bereitgestellt ist, und eine Katode (zweite Elektrode) 44, welche an einer anderen Fläche der Elektrolytmembran 40 bereitgestellt ist.
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Zum Beispiel umfasst die Elektrolytmembran 40 eine Feststoffpolymerelektrolyt-Membran (Kationen-Ionen-Austauschmembran). Zum Beispiel ist die Feststoffpolymerelektrolyt-Membran eine dünne Membran aus Wasser enthaltender perfluorsulfatischer Säure. Die Elektrolytmembran 40 ist zwischen der Anode 42 und der Katode 44 eingefasst. Ein Fluor basiertes Elektrolyt kann als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden. Alternativ kann ein HC (Kohlenwasserstoff) basiertes Elektrolyt als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden.
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Obwohl nicht im Detail gezeigt, umfasst die Anode 42 eine erste Elektrodenkatalysator-Schicht, welche mit einer Fläche der Elektrolytmembran 40 verbunden ist, und eine erste Gasdiffusionsschicht, welche an der ersten Elektrodenkatalysator-Schicht gestapelt ist. Die Katode 44 umfasst eine zweite Elektrodenkatalysator-Schicht, welche mit der anderen Fläche der Elektrolytmembran 40 verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht, welche an der zweiten Elektrodenkatalysator-Schicht gestapelt ist.
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An einem Ende der Stromerzeugungszelle 12 in einer longitudinalen Richtung, angezeigt durch einen Pfeil B (horizontale Richtung in 2), sind ein Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a (Reaktionsgas-Lieferdurchgang), eine Mehrzahl von Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a und eine Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b (zum Beispiel zwei Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung) (Reaktionsgas-Abgabedurchgängen) bereitgestellt. Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung. Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b erstrecken sich durch den Stapelkörper 14, den Isolator 18a und die Endplatte 20a in der Stapelrichtung hindurch (der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36a und die Brennstoffgas-Lieferdurchgänge 38b können durch die Anschlussplatte 16a hindurchtreten).
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Diese Fluiddurchgänge sind in der vertikalen Richtung angeordnet (angezeigt durch den Pfeil C). Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise ein Wasserstoff enthaltendes Gas (eines der Reaktionsgase) wird durch die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b abgegeben. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas (ein anderes der Reaktionsgase) wird durch den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a geliefert. Ein Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a geliefert.
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Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a ist zwischen den zwei Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a positioniert, welche in der vertikalen Richtung in einer Distanz angeordnet sind. Die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b umfasst einen oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 und einen unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2. Der obere Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 ist über dem oberen Kühlmittel-Lieferdurchgang 36a positioniert. Der untere Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 ist unter dem unteren Kühlmittel-Lieferdurchgang 36a positioniert.
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An einem anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in einer durch den Pfeil B angezeigten Richtung sind ein Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a (Reaktionsgas-Lieferdurchgang), eine Mehrzahl von Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b und eine Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b (zum Beispiel zwei Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b in der vorliegenden Ausführungsform) (Reaktionsgas-Abgabedurchgänge) bereitgestellt. Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung. Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Mehrzahl von Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b und die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b treten durch den Stapelkörper 14, den Isolator 18a und die Endplatte 20a in der Stapelrichtung hindurch (der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b können sich durch die Anschlussplatte 16a hindurch erstrecken).
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Diese Fluiddurchgänge sind in der vertikalen Richtung angeordnet (angezeigt durch den Pfeil C). Das Brennstoffgas wird durch die Brennstoffgas-Lieferdurchgänge 38a geliefert. Das Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b abgegeben. Das Sauerstoff enthaltende Gas wird durch den Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b abgegeben. Die Gestaltung des Lieferdurchgangs für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, der Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b, des Brennstoffgas-Lieferdurchgangs 38a und der Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b ist nicht auf die obige Ausführungsform begrenzt und kann abhängig von der erforderlichen Spezifikation geändert werden.
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Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a ist zwischen den zwei Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b positioniert, welche in der vertikalen Richtung in einer Distanz angeordnet sind. Die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b umfassen einen oberen Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 und einen unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2. Der obere Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 ist über dem oberen Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b positioniert. Der untere Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 ist unter dem unteren Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b positioniert.
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Die Öffnungen der Fluiddurchgänge 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b sind nicht auf die hexagonale Form begrenzt. Die Öffnungen davon können eine beliebige andere polygone (rechteckige, pentagonale, etc.), kreisförmige, ovale, elliptische etc. Form aufweisen.
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In dem Brennstoffzellenstapel 10 weisen der erste Metallseparator 30 und der zweite Metallseparator 32 einen ersten Ablass 72 zum Abgeben von Wasser, welches an der Katode in dem Brennstoffzellenstapel 10 während eines Betriebs (Stromerzeugung) des Brennstoffzellenstapels 10 produziert wird, und einen zweiten Ablass 82 zum Abgeben von Wasser auf, welches an der Anode in dem Brennstoffzellenstapel 10 während eines Betriebs (Stromerzeugung) davon produziert wird. Der erste Ablass 72 erstreckt sich durch den Brennstoffzellenstapel 10 in der Stapelrichtung, angezeigt durch den Pfeil A, und der erste Ablass 72 ist mit den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b durch einen Verbindungskanal (nicht gezeigt) verbunden. Der zweite Ablass 82 erstreckt sich durch den Brennstoffzellenstapel 10 in der Stapelrichtung, angezeigt durch den Pfeil A, und der zweite Ablass 82 ist mit dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b durch einen Verbindungskanal (nicht gezeigt) verbunden. Eine Lippendichtung 72a zum Verhindern von Leckage des produzierten Wassers ist um den ersten Ablass 72 herum bereitgestellt. Eine Lippendichtung 82a zum Verhindern von Leckage des produzierten Wassers ist um den zweiten Ablass 82 herum bereitgestellt.
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Wie gezeigt in 1, sind der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a mit Einlässen 35a, 37a, 39a verbunden, welche in der Endplatte 20a bereitgestellt sind. Ferner sind der Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b, der Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b und der Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b mit Auslässen 35b, 37b, 39b verbunden, welche in der Endplatte 20a bereitgestellt sind.
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Wie gezeigt in 2, sind an einem Ende des Harzrahmenelements 46 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Mehrzahl von Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a und die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b bereitgestellt. An dem anderen Ende des Harzrahmenelements 46 sind in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Mehrzahl von Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b und die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b bereitgestellt.
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Die Elektrolytmembran 40 kann ohne Verwendung des Harzrahmenelements 46 nach außen vorstehen. Ferner kann an beiden Seiten der Elektrolytmembran 40 ein rahmenförmiger Film bereitgestellt sein, welcher nach außen vorsteht.
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Wie gezeigt in 3, weist der erste Metallseparator 30 ein Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 (Reaktionsgas-Strömungsfeld) an seiner Fläche 30a auf, welche zu der mit dem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 weist. Das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 erstreckt sich in einer Richtung, zum Beispiel in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 ist (in Fluidverbindung) mit dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b verbunden.
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Das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 umfasst eine Mehrzahl gewellter Strömungsnuten 48b, welche zwischen einer Mehrzahl von gewellten Rippen 48a gebildet sind, welche sich in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung erstrecken. Daher sind in dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 eine Mehrzahl gewellter Rippen 48a und eine Mehrzahl gewellter Strömungsnuten 48b alternierend in der Strömungsfeld-Breitenrichtung angeordnet (angezeigt durch den Pfeil C). In dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 kann, anstelle eines Annehmens der obigen Struktur, eine Mehrzahl von geraden Strömungsnuten zwischen einer Mehrzahl gerader Rippen gebildet sein.
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Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a ist an einem Ende des ersten Metallseparators 30 in der longitudinalen Richtung bereitgestellt (an einem Ende in der Richtung, welche durch den Pfeil B1 angezeigt ist). Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a ist ein Fluiddurchgang, welcher an dem Zentrum unter den fünf Fluiddurchgängen, welche in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung angeordnet sind, bereitgestellt ist. Daher ist ein Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a an dem Zentrum des ersten Metallseparators 30 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung (angezeigt durch den Pfeil C) des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 bereitgestellt. Zwei Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b sind an dem anderen Ende des ersten Metallseparators 30 in der longitudinalen Richtung bereitgestellt (an einem Ende in der Richtung, welche durch den Pfeil B2 angezeigt ist). Die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b sind Fluiddurchgänge, welche an beiden Enden unter den fünf Fluiddurchgängen bereitgestellt sind, welche in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung angeordnet sind. Daher sind die beiden Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b an jeweils beiden Enden des ersten Metallseparators 30 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 bereitgestellt.
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Ein erster Einlass-Verbindungskanalabschnitt 50A ist an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 bereitgestellt. Der erste Einlass-Verbindungskanalabschnitt 50A verbindet den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Einlass-Verbindungskanalabschnitt 50A eine Mehrzahl erster Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a. Die ersten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a sind mit der Mehrzahl gewellter Strömungsnuten 48b verbunden. In der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 ist ein erster erhabener Einlassteil 51a einer Seite des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 benachbart, näher zu dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, gebildet. Der erste erhabene Einlassteil 51a ist von einem Basisplattenteil 30s des ersten Metallseparators 30 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 erhaben. Die Mehrzahl erster Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a sind im dem ersten erhabenen Einlassteil 51a bereitgestellt. Die Höhe des ersten erhabenen Einlassteils 51a von dem Basisplattenteil 30s ist kleiner als die Höhe eines inneren Wulsts 52b, wie später beschrieben.
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Ferner ist ein erster Auslass-Verbindungskanalabschnitt 50B an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 bereitgestellt. Der erste Auslass-Verbindungskanalabschnitt 50B verbindet das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 und die beiden Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Auslass-Verbindungskanalabschnitt 50B eine Mehrzahl erster Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b. Die ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b sind mit den gewellten Strömungsnuten 48b verbunden. In der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 ist ein erster erhabener Auslassteil 51b einer anderen Seite des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 benachbart in der durch den Pfeil B2 angezeigten Richtung gebildet. Der erste erhabene Auslassteil 51b ist von dem Basisplattenteil 30s des ersten Metallseparators 30 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 erhaben. Die ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b sind in dem ersten erhabenen Auslassteil 51b bereitgestellt. Die Höhe des ersten erhabenen Auslassteils 51b von dem Basisplattenteil 30s ist kleiner als die Höhe des inneren Wulsts 52b.
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Jede aus den ersten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a teilt sich mehrere Male (in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zweimal) in einem Bereich von dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a zu dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 auf.
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Insbesondere teilt sich jede aus den ersten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a an zwei Positionen (das heißt ein erster Abzweigungspunkt 84 und ein zweiter Abzweigungspunkt 86) in dem Bereich von dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a zu dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 auf. Das heißt, in jeder aus den ersten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a teilt sich ein Kanalsegment 50a1 in zwei Kanalsegmente 50a2 an dem ersten Abzweigungspunkt 84 auf. Dann teilt sich jedes der Kanalsegmente 50a2 weiter in zwei Kanalsegmente 50a3 an dem zweiten Abzweigungspunkt 86 auf. Die Anzahl von Malen, zu welcher sich der Strömungskanal (das heißt, die Anzahl von Aufteilungen) in den ersten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a aufteilt, ist nicht auf zwei Male begrenzt und kann eine unterschiedliche Anzahl von Malen sein.
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Jede aus den ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b läuft mehrere Male (in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zweimal) in einem Bereich von dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 zu den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b zusammen. Insbesondere läuft jede aus den ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b an zwei Positionen (das heißt einem ersten Verbindungspunkt 88 und einem zweiten Verbindungspunkt 90) in dem Bereich von dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 zu den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b zusammen. Das heißt, in jeder aus den ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b laufen die benachbarten Kanalsegmente 50b1 unter vier Kanalsegmenten 50b1, welche mit dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 verbunden sind, an dem ersten Verbindungspunkt 88 in zwei Kanalsegmente 50b2 zusammen. Dann laufen die beiden Kanalsegmente 50b2 an dem zweiten Verbindungspunkt 90 in ein Kanalsegment 50b3 zusammen. Die Anzahl von Malen, zu welcher der Strömungskanal (das heißt, die Anzahl von Verbindungen) in den ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b zusammenläuft, ist nicht auf zwei Male begrenzt und kann eine unterschiedliche Anzahl von Malen sein.
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Eine Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen sind an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 durch Pressformen integral gebildet. Die Metall-Lippendichtungen erstrecken sich in Richtung der mit dem Harzfilm ausgestatteten MEA 28. Anstelle der Metall-Lippendichtungen können rippenförmige elastische Dichtungen, welche aus einem elastischen Material hergestellt ist, bereitgestellt sein. Die Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen umfassen einen äußeren Wulst 52a, einen inneren Wulst 52b und eine Mehrzahl von Durchgangswulsten 52c. Der äußere Wulst 52a ist entlang des äußeren Endes der Fläche 30a bereitgestellt. Der innere Wulst 52b ist um das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48, den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b herum bereitgestellt, wobei dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 erlaubt wird, mit dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b verbunden zu sein.
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Die Mehrzahl von Durchgangswulsten 52c sind um den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a bzw. die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b herum bereitgestellt. Der äußere Wulst 52a sollte wie benötigt bereitgestellt sein. Alternativ kann der äußere Wulst 52a weggelassen werden.
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Wie gezeigt in 4, weist der zweite Metallseparator 32 ein Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 (Reaktionsgas-Strömungsfeld) an seiner Fläche 32a auf, welche zu der mit dem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 weist. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 erstreckt sich in einer Richtung, zum Beispiel in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Das Brennstoffgas strömt über das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 in einer Richtung (angezeigt durch einen Pfeil B1) entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das Sauerstoff enthaltende Gas über das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 strömt. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 ist (in Fluidverbindung) mit dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b verbunden. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 weist eine Mehrzahl von gewellten Strömungsnuten 58b auf, welche zwischen einer Mehrzahl von gewellten Rippen 58a gebildet sind, welche sich in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung erstrecken.
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Daher sind in dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 die Mehrzahl gewellter Rippen 58 a und die Mehrzahl gewellter Strömungsnuten 58 b alternierend in der Strömungsfeld-Breitenrichtung angeordnet (angezeigt durch den Pfeil C). Anstelle eines Annehmens der obigen Struktur kann das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 eine Mehrzahl gerader Strömungsnuten zwischen einer Mehrzahl gerader Rippen aufweisen.
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Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a ist an einem Ende des zweiten Metallseparators 32 in der longitudinalen Richtung bereitgestellt (an einem Ende in der Richtung, welche durch den Pfeil B 2 angezeigt ist). Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a ist ein Fluiddurchgang, welcher an dem Zentrum bereitgestellt ist, unter den 5 Fluiddurchgänge, welche in der Richtung angeordnet sind, welche durch den Pfeil C angezeigt ist. Daher ist ein Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a an dem Zentrum des zweiten Metallseparators 32 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung (angezeigt durch den Pfeil C) des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 bereitgestellt. Zwei Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b sind an dem anderen Ende des zweiten Metallseparators 32 in der longitudinalen Richtung bereitgestellt (an einem Ende in der Richtung, welche durch den Pfeil B1 angezeigt ist). Die beiden Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b sind Fluiddurchgänge, welche an beiden Enden unter den fünf Fluiddurchgängen bereitgestellt sind, welche in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung angeordnet sind. Daher sind die beiden Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b an jeweils beiden Enden des zweiten Metallseparators 32 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 bereitgestellt.
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Ein zweiter Einlass-Verbindungskanalabschnitt 60A ist an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 bereitgestellt. Der zweite Einlass-Verbindungskanalabschnitt 60A verbindet den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der zweite Einlass-Verbindungskanalabschnitt 60A eine Mehrzahl zweiter Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a. Die zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a sind mit der Mehrzahl gewellter Strömungsnuten 58b verbunden. In der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 ist ein zweiter erhabener Einlassteil 61a einer Seite des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 benachbart in der durch den Pfeil B2 angezeigten Richtung gebildet. Der zweite erhabene Einlassteil 61a ist von einem Basisplattenteil 32s des zweiten Metallseparators 32 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 erhaben. Die Mehrzahl zweiter Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a sind in dem zweiten erhabenen Einlassteil 61a bereitgestellt. Die Höhe des zweiten erhabenen Einlassteils 61a von dem Basisplattenteil 32s ist kleiner als die Höhe eines inneren Wulsts 62b, wie später beschrieben.
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Ferner ist ein zweiter Auslass-Verbindungskanalabschnitt 60B an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 bereitgestellt. Der zweite Auslass-Verbindungskanalabschnitt 60B verbindet das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der zweite Auslass-Verbindungskanalabschnitt 60b eine Mehrzahl zweiter Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b. Die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b sind mit den gewellten Strömungsnuten 58b verbunden. In der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 ist ein zweiter erhabener Auslassteil 61b einer anderen Fläche des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 benachbart in der durch den Pfeil B1 angezeigten Richtung gebildet. Der zweite erhabene Auslassteil 61b ist von dem Basisplattenteil 32s des ersten Metallseparators 32 in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 erhaben. Die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b sind in dem zweiten erhabenen Auslassteil 61b bereitgestellt. Die Höhe des zweiten erhabenen Auslassteils 61b von dem Basisplattenteil 32s ist kleiner als die Höhe des inneren Wulsts 62b.
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Wie in 5 gezeigt ist, teilt sich jede aus dem zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a mehrere Male (in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zweimal) in einem Bereich von dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a zu dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 auf. Insbesondere teilt sich jede aus dem zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a an zwei Positionen (das heißt einem ersten Abzweigungspunkt 92 und einem zweiten Abzweigungspunkt 94) in dem Bereich von dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a zu dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 auf. Das heißt, in jeder aus den zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a teilt sich ein erstes Kanalsegment 60a1 an dem ersten Abzweigungspunkt 92 in zwei zweite Kanalsegmente 60a2 an beiden Seiten eines Zwischenvorsprungs 93 auf. Ferner teilt sich jedes der zweiten Kanalsegmente 60a2 in fünf dritte Kanalsegmente 60a3 an dem zweiten Abzweigungspunkt 94 auf.
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Der Zwischenvorsprung 93 liegt in der Form einer Insel vor, welche zwischen dem ersten Abzweigungspunkt 92 und dem zweiten Abzweigungspunkt 94 positioniert ist. Der Zwischenvorsprung 93 ist durch den Strömungskanal (Strömungsnuten) über den gesamten Umfang umgeben. Der Zwischenvorsprung 93 steht in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vor, um die beiden zweiten Kanalsegmente 60a2 zu trennen. Die fünf dritten Kanalsegmente 60a3 sind durch eine Mehrzahl von Rippen 95 getrennt, welche in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorstehen. Die Mehrzahl von Rippen 95 sind voneinander in der Strömungsfeld-Breitenrichtung (angezeigt durch den Pfeil C) des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 beabstandet. Wenigstens eine der Rippen 95 weist eine Länge auf, welche von der Länge / den Längen der anderen Rippen 95 verschieden ist. Die Mehrzahl von Rippen 95 weisen zu dem Zwischenvorsprung 93 und weisen Längen auf, welche stufenweise ansteigen. Es sei erwähnt, dass alle der Mehrzahl von Rippen 95 die gleiche Länge aufweisen können. Die Rippen 95 sind mit dem Zwischenvorsprung 93 nicht-kontinuierlich (davon beabstandet). Daher ist ein Strömungskanal (ein Teil der zweiten Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten 60a) zwischen der Mehrzahl von Rippen 95 und dem Zwischenvorsprung 93 gebildet. Der Zwischenvorsprung 93 erstreckt sich in einer Richtung, welche die Richtung schneidet, in welcher sich die Rippen 95 erstrecken.
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Wie gezeigt in 6, läuft jede aus dem zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b mehrere Male (in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dreimal) in einem Bereich von dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 zu den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b zusammen. Die Anzahl eines Zusammenlaufens in den zweiten Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten 60b ist größer als die Anzahl von Verzweigungen in den zweiten Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten 60a. Insbesondere läuft jede aus den zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b an drei Positionen (das heißt einem ersten Verbindungspunkt 96, einem zweiten Verbindungspunkt 98 und einem dritten Verbindungspunkt 100) in dem Bereich von dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 zu den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b zusammen.
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Die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b weisen Gruppen 60g auf, wobei jede fünf erste Kanalsegmente 60b1 umfasst, welche mit dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 verbunden sind, und zwei benachbarte Gruppen der Gruppen 60g sind gepaart. In jeder Gruppe 60g laufen die fünf ersten Kanalsegmente 60b1 an dem ersten Verbindungspunkt 96 in zwei zweite Kanalsegmente 60b2 zusammen. Ferner laufen in jeder Gruppe 60g die beiden zweiten Kanalsegmente 60b2 an dem zweiten Verbindungspunkt 98 in ein drittes Kanalsegment 60b3 zusammen. Dann laufen in jedem Paar der beiden benachbarten Gruppen 60g zwei dritte Kanalsegmente 60b3 von einer der Gruppen und der anderen der Gruppen an dem dritten Verbindungspunkt 100 in ein viertes Kanalsegment 60b4 zusammen, welches mit dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38b verbunden ist.
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Die fünf ersten Kanalsegmente 60b1 sind durch eine Mehrzahl von Rippen 99 getrennt, welche in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorstehen. Die Mehrzahl von Rippen 99 sind voneinander in der Strömungsfeld-Breitenrichtung (angezeigt durch den Pfeil C) des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 beabstandet. Wenigstens eine der Rippen 99 weist eine Länge auf, welche von der Länge / den Längen der anderen Rippen 99 verschieden ist. Die Mehrzahl von Rippen 99 weisen zu einem Zwischenvorsprung 97 und weisen Längen auf, welche stufenweise ansteigen. Es sei erwähnt, dass alle der Mehrzahl von Rippen 99 die gleiche Länge aufweisen können.
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Der Zwischenvorsprung 97 liegt in der Form einer Insel vor, welche zwischen dem ersten Abzweigungspunkt 96 und dem zweiten Abzweigungspunkt 98 positioniert ist. Der Zwischenvorsprung 97 ist durch den Strömungskanal (Strömungsnuten) über den gesamten Umfang umgeben. Der Zwischenvorsprung 97 steht in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vor, um die beiden zweiten Kanalsegmente 60b2 zu trennen. Der Zwischenvorsprung 97 ist mit der Mehrzahl von Rippen 99 nicht-kontinuierlich (davon beabstandet). Daher ist ein Kanal (ein Teil der zweiten Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten 60b) zwischen der Mehrzahl von Rippen 99 und dem Zwischenvorsprung 97 gebildet. Der Zwischenvorsprung 97 erstreckt sich in einer Richtung, welche die Richtung schneidet, in welcher sich die Rippen 99 erstrecken. Die beiden dritten Kanalsegmente 60b3 in jedem Paar der Gruppen der zweiten Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten 60b sind durch einen Vorsprung 101 getrennt, welcher in Richtung der mit einem Harzfilm ausgestatteten MEA 28 vorsteht.
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Der dritte Verbindungspunkt 100 ist stromabwärts des Vorsprungs 101 bereitgestellt. Die beiden dritten Kanalsegmente 60b3 laufen an dem dritten Verbindungspunkt 100 in ein viertes Kanalsegment 60b4 zusammen. Der Vorsprung 101 ist länger als der Zwischenvorsprung 97 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung (angezeigt durch den Pfeil C) des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58. Der Vorsprung 101 ist mit der gewellten Rippe 58a kontinuierlich.
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Es sei erwähnt, dass die Anzahl von Malen, zu welcher der Strömungskanal in den zweiten Auslass-Verbindung-Strömungsnuten 60b zusammenläuft, nicht auf drei Male begrenzt ist und eine verschiedene Anzahl von Malen sein kann, solange die Anzahl eines Zusammenlaufens größer ist als die Anzahl eines Aufteilens in den zweiten Einlass-Verbindung-Strömungsnuten 60a.
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Wie gezeigt in 4, sind eine Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 durch Pressformen gebildet. Die Metall-Lippendichtungen erstrecken sich in Richtung der mit dem Harzfilm ausgestatteten MEA 28. Anstelle der Metall-Lippendichtungen können rippenförmige elastische Dichtungen, welche aus einem elastischen Material hergestellt sind, bereitgestellt sein. Die Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen umfassen einen äußeren Wulst 62a, einen inneren Wulst 62b und eine Mehrzahl von Durchgangswulsten 62c. Der äußere Wulst 62a ist entlang des äußeren Endes der Fläche 32a bereitgestellt. Der innere Wulst 62b ist in der äußeren Wulst 62a, um das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58, den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b herum bereitgestellt, wobei dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 erlaubt wird, mit dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b verbunden zu sein.
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Die Mehrzahl von Durchgangswulsten 62c sind um den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a bzw. die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b herum gebildet. Der äußere Wulst 62a sollte wie benötigt bereitgestellt sein. Alternativ kann der äußere Wulst 62a weggelassen werden.
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Wie gezeigt in 2, ist ein Kühlmittel-Strömungsfeld 66 zwischen einer Fläche 30b des ersten Metallseparators 30 und einer Fläche 32b des zweiten Metallseparators 32 gebildet, welche miteinander durch Schweißen oder Löten verbunden sind. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 66 ist (in Fluidverbindung) mit den Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a und den Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b verbunden. Wenn der erste Metallseparator 30 und der zweite Metallseparator 32 zusammen gestapelt sind, ist das Kühlmittel-Strömungsfeld 66 zwischen einer Fläche des ersten Metallseparators 30 an der Rückseite des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 und einer Fläche des zweiten Metallseparators 32 an der Rückseite des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 gebildet. Das Kühlmittel strömt in dem Kühlmittel-Strömungsfeld 66 in der gleichen Richtung (angezeigt durch den Pfeil B) wie die Richtung, in welcher das Sauerstoff enthaltende Gas in dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 strömt.
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Nachfolgend wird ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 mit der obigen Struktur beschrieben werden.
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Als Erstes wird, wie in 1 gezeigt, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie beispielsweise Luft, an den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a (Einlass 35a) der Endplatte 20a geliefert. Das Brennstoffgas, wie beispielsweise das Wasserstoff enthaltende Gas, wird an den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, (Einlass 39a) der Endplatte 20a geliefert. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise reines Wasser, Ethylenglykol, Öl, wird an die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a (Einlässe 37a) der Endplatte 20a geliefert.
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Wie gezeigt in 3, strömt Sauerstoff enthaltendes Gas von dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a in das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 des ersten Metallseparators 30. Das Sauerstoff enthaltende Gas strömt entlang des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung und das Sauerstoff enthaltende Gas wird an die Katode 44 der MEA 28a geliefert.
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In der Zwischenzeit, wie gezeigt in 4, wird das Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a in das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 des zweiten Metallseparators 32 eingeführt. Das Brennstoffgas strömt entlang des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung und das Brennstoffgas wird an die Anode 42 der MEA 28a geliefert.
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Daher wird in jeder MEA 28a das Sauerstoff enthaltende Gas, welches an die Katode 44 geliefert wird, und das Brennstoffgas, welches an die Anode 42 geliefert wird, in elektrochemischen Reaktionen in der zweiten Elektrodenkatalysator-Schicht und der ersten Elektrodenkatalysator-Schicht teilweise verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
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Dann, wie gezeigt in 2, wird das Sauerstoff enthaltende Gas, welches an die Katode 44 geliefert und an der Katode 44 teilweise verbraucht worden ist, entlang der Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung abgegeben. In ähnlicher Weise wird das Brennstoffgas, welches an die Anode 42 geliefert und an der Anode 42 teilweise verbraucht worden ist, entlang der Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung abgegeben.
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Ferner strömt das Kühlmittel, welches an die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a geliefert worden ist, in dem Kühlmittel-Strömungsfeld 66, welches zwischen dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 gebildet ist, und dann strömt das Kühlmittel in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Nachdem das Kühlmittel die MEA 28a gekühlt hat, wird das Kühlmittel aus den Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b abgegeben.
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In diesem Fall werden in der Stromerzeugungszelle 12 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile angeboten.
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In der Stromerzeugungszelle 12 ist die Anzahl von Malen, zu welcher die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b zusammenlaufen größer als die Anzahl von Malen, zu welcher sich die zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a aufteilen. In der Struktur wird der Druckverlust, wenn das Brennstoffgas durch die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b strömt, gesteigert. Daher ist es möglich, einen gewünschten Differenzialdruck zwischen dem Einlass und dem Auslass des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 verlässlich zu erhalten. Demgemäß ist es möglich, die Leistung einer Abgabe des produzierten Wassers an dem Auslass des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 zu verbessern. Das heißt, das produzierte Wasser kann an den Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b in einer geeigneten Weise durch die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b abgegeben werden.
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Ein Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a ist an dem Zentrum des zweiten Metallseparators 32 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 bereitgestellt. Ferner sind zwei Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b an jeweils beiden Enden des zweiten Metallseparators 32 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 bereitgestellt. In den zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b mit der obigen Struktur ist es möglich, da die Länge des Strömungskanals von dem Strömungseinlass zu dem Strömungsauslass verkürzt werden kann, die Strömungsraten-Verteilungskriterien des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 in der Strömungsfeld-Breitenrichtung zu verbessern (die einheitliche Strömungsrate in der Strömungsfeld-Breitenrichtung zu erreichen).
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Die zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a und die zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b sind Strömungsnuten für das Brennstoffgas. In dem Fall, in welchem insbesondere nur ein Wasserstoffgas (purer Wasserstoff) an die Anode als das Brennstoffgas während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert wird, da das meiste des Wasserstoffgases in der elektrochemischen Reaktion an der Anode verbraucht wird, ist in der konventionellen Struktur die Strömungsrate des Wasserstoffgases an dem Auslass des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 vermindert, und daher neigt der Differenzialdruck dazu, nicht ausreichend zu sein. Unter den Umständen kann die Leistung einer Abgabe des produzierten Wassers nicht ausreichend sein. Im Gegensatz dazu ist es in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in den zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a und den zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b, durch welche das Brennstoffgas strömt, da die Anzahl von Verbindungen in den zweiten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 60b größer ist als die Anzahl von Verzweigungen in den zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a, möglich, die Leistung einer Abgabe des produzierten Wassers an dem Auslass des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 zu steigern, wo der Differenzialdruck dazu neigt, in der konventionellen Struktur nicht ausreichend zu sein.
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Es sei erwähnt, dass die Stromerzeugungszelle 12, wie in dem Fall der zweiten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 60a und der zweiten Auslass-Verbindung Strömungsnuten 60b, die Anzahl von Verbindungen in den ersten Auslass-Verbindungsströmungsnuten 50b größer sein kann als die Anzahl von Verzweigungen der ersten Einlass-Verbindungsströmungsnuten 50a. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistung einer Abgabe des produzierten Wassers an dem Auslass des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 zu steigern.
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Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wendet eine Zell-zu-Zell-Kühlstruktur an, wobei jede der Zelleinheiten durch Einfassen einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Metallseparatoren gebildet ist und ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den benachbarten Einheitszellen gebildet ist. Alternativ kann zum Beispiel die Zelleneinheit drei oder mehr Metallseparatoren und zwei oder mehr Membran-ElektrodenAnordnungen umfassen, und die Metallseparatoren und die Membran-Elektroden-Anordnungen sind alternierend gestapelt. In diesem Fall ist eine so genannte Skip-Cooling-Struktur angenommen, wo ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den benachbarten Zelleneinheit gebildet ist.
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Zweite Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten (60a) und zweite Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten (60b) sind in einer Stromerzeugungszelle (12) gebildet. Die zweiten Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten (60a) verbinden einen Brennstoffgas-Lieferdurchgang (38a) und ein Brennstoffgas-Strömungsfeld (58). Die zweiten Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten (60b) verbinden einen Brennstoffgas-Abgabedurchgang (38b) und das Brennstoffgas-Strömungsfeld (58). Der Strömungskanal der zweiten Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten (60a) teilt sich in einem Bereich von dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang (38a) zu dem Brennstoffgas-Strömungsfeld (58) mehrmals auf. Der Strömungskanal der zweiten Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten (60b) läuft in einem Bereich von dem Brennstoffgas-Strömungsfeld (58) zu dem Brennstoffgas-Abgabedurchgang (38b) mehrmals zusammen. Die Anzahl von Malen eines Zusammenlaufens der zweiten Auslass-Verbindungs-Strömungsnuten (60b) ist größer als die Anzahl von Malen eines Aufteilens der zweiten Einlass-Verbindungs-Strömungsnuten (60a).