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    Eine erfindungsgemäße erste Dichtungsstruktur (50) enthält eine Dichtungsverbindung (54a) und Dichtungselemente (52a, 52b), die an der Dichtungsverbindung (54a) verbunden sind. Ein Innenwinkel (THETA) an der Dichtungsverbindung (54a), definiert durch die Mittellinien der Dichtungselemente (52a, 52b), liegt im Bereich von 40 DEG bis 90 DEG . Die Dichtungsverbindung (54a) enthält einen gekrümmten Abschnitt mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R zum Verbinden der Dichtungselemente (52a, 52b).A first sealing structure (50) according to the invention contains a sealing connection (54a) and sealing elements (52a, 52b) which are connected to the sealing connection (54a). An inside angle (THETA) on the seal connection (54a), defined by the center lines of the seal elements (52a, 52b), is in the range from 40 ° to 90 °. The sealing connection (54a) contains a curved section with a predetermined radius of curvature R for connecting the sealing elements (52a, 52b).
    公开号:DE102004004071A1
    申请号:DE102004004071
    申请日:2004-01-27
    公开日:2004-08-12
    发明作者:Takaki Wako Nakagawa；Tadashi Wako Nishiyama；Hiroyuki Wako Tanaka
    申请人:Honda Motor Co Ltd；
    IPC主号:H01M2-08
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, dieeine Elektrolytelektrodenanordnung und Separatoren enthält, welchedie Elektrolytelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnungenthältein Paar von Elektroden und ein zwischen den Elektroden angeordnetesElektrolyt. In der Brennstoffzelle sind Reaktionsgasströmungsfelderauf den Oberflächender Separatoren ausgebildet, um entlang den Oberflächen derSeparatoren Reaktionsgase zuzuführen.Jedes der Reaktionsgasströmungsfelderist mit einer Reaktionsgaszufuhrleitung und einer Reaktionsgasabführleitung verbunden.The invention relates to a fuel cell, theincludes an electrolyte electrode assembly and separators whichrecord the electrolyte electrode assembly between them. The electrolyte electrode assemblycontainsa pair of electrodes and one disposed between the electrodesElectrolyte. There are reaction gas flow fields in the fuel cellon the surfacesthe separators are designed to run along the surfaces of theFeed separators reaction gases.Each of the reaction gas flow fieldsis connected to a reaction gas supply line and a reaction gas discharge line.
    [0002] Herkömmlich verwendet eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelleeine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwei Elektroden (Anodeund Kathode) sowie eine zwischen den Elektroden angeordnete Elektrolytmembraneenthält.Die Elektrolytmembrane ist eine Polymerionenaustauschermembrane. DieseMembranelektrodenanordnung ist zwischen den Separatoren angeordnet.Conventionally used a solid polymer electrolyte fuel cella membrane electrode assembly (MEA), the two electrodes (anodeand cathode) and an electrolyte membrane arranged between the electrodescontains.The electrolyte membrane is a polymer ion exchange membrane. ThisMembrane electrode arrangement is arranged between the separators.
    [0003] In der Brennstoffzelle wird ein Brenngas(Reaktionsgas), wie etwa ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendesGas (wasserstoffhaltiges Gas) der Anode zugeführt. Der Katalysator der Anodeinduziert eine chemische Reaktion des Brenngases, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen(Protonen) und Elektronen zu spalten. Die Wasserstoffionen bewegensich durch das Elektrolyt zu der Kathode, und die Elektronen fließen durcheine externe Schaltung zu der Kathode, wodurch ein elektrischerGleichstrom erzeugt wird. Der Kathode wird ein hauptsächlich Sauerstoffenthaltendes Gas (sauerstoffhaltiges Gas) oder Luft zugeführt. Ander Kathode verbinden sich die Wasserstoffionen von der Anode mitden Elektronen und Sauerstoff, zur Herstellung von Wasser.A fuel gas is in the fuel cell(Reaction gas) such as one containing mainly hydrogenGas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode. The anode catalystinduces a chemical reaction of the fuel gas to convert the hydrogen molecule into hydrogen ions(Protons) and electrons to split. The hydrogen ions movethrough the electrolyte to the cathode, and the electrons flow throughan external circuit to the cathode, creating an electricalDirect current is generated. The cathode becomes mainly oxygencontaining gas (oxygen-containing gas) or air supplied. OnThe hydrogen ions from the anode connect to the cathodethe electrons and oxygen, for the production of water.
    [0004] In der Brennstoffzelle fließen dasBrenngas, das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel durch ihre zugeordnetenFluidleitungen, die hermetisch abgedichtet sind, um Gas oder Flüssigkeitsaustrittezu verhindern. Typischerweise sind Dichtungselemente zwischen derMembranelektrodenanordnung und dem Separator angeordnet, um Leckagenzu verhindern. Es sind verschiedene Typen von Dichtungselementenbekannt. Z.B. offenbart das U.S. Patent Nr. 5,284,718 eine Dichtungsstruktur,wie sie in 10 gezeigtist. Gemäß dieserDruckschrift umfasst eine Membranelektrodenanordnung (Membranelektroden-und Dichtungsanordnung) ein poröses,elektrisch leitfähigesBlattmaterial 1.In the fuel cell, the fuel gas, the oxygen-containing gas and the coolant flow through their associated fluid lines, which are hermetically sealed to prevent gas or liquid leaks. Typically, sealing elements are arranged between the membrane electrode assembly and the separator to prevent leakages. Various types of sealing elements are known. For example, US Patent No. 5,284,718 discloses a sealing structure as shown in US Pat 10 is shown. According to this document, a membrane electrode arrangement (membrane electrode and sealing arrangement) comprises a porous, electrically conductive sheet material 1 ,
    [0005] Das elektrisch leitfähige Blattmaterial 1 enthält eineLufteinlassöffnung 2a undeine Luftauslassöffnung 2b aneiner Ecke, sowie eine Sauerstoffeinlassöffnung 3a und eineSauerstoffauslassöffnung 3b ander anderen Ecke. Ferner sind eine Kühlmitteleinlassöffnung 4a undeine Kühlmittelauslassöffnung 4b aneiner Ecke diagonal gegenüberder Ecke der Wasserstoffeinlassöffnung 3a undder Sauerstoffauslassöffnung 3b ausgebildet.In dem elektrisch leitfähigen Blattmaterial 1 isteine massive Dichtung 5 vorgesehen. Die Dichtung 5 wirdin einem Kanal 6 angeordnet, wenn der Brennstoffzellenstapelzusammengebaut wird.The electrically conductive sheet material 1 contains an air inlet opening 2a and an air outlet 2 B on a corner, as well as an oxygen inlet 3a and an oxygen outlet 3b on the other corner. There are also a coolant inlet 4a and a coolant outlet opening 4b at a corner diagonally opposite the corner of the hydrogen inlet 3a and the oxygen outlet 3b educated. In the electrically conductive sheet material 1 is a massive seal 5 intended. The seal 5 is in a channel 6 arranged when the fuel cell stack is assembled.
    [0006] Die Dichtung 5 enthält Dichtungselemente 5a,die eine Außenfläche deselektrisch leitfähigen Blattmaterials 1 umgeben.Die Dichtungselemente 5a sind mit den Dichtungselementen 5b verbunden. Somitsind Dichtungsverbindungen 5c zum Verbinden der Dichtungselemente 5a, 5b aufder Dichtoberflächeder Dichtung 5 vorgesehen.The seal 5 contains sealing elements 5a that an outer surface of the electrically conductive sheet material 1 surround. The sealing elements 5a are with the sealing elements 5b connected. So there are sealing connections 5c for connecting the sealing elements 5a . 5b on the sealing surface of the seal 5 intended.
    [0007] Bei dieser Struktur ist jedoch dieWahrscheinlichkeit hoch, dass benachbarte Dichtungselemente 5a, 5b einanderstören.Insbesondere nimmt der örtlicheLiniendruck oder Oberflächendruck,der auf die Dichtungsverbindung 5c ausgeübt wird, übermäßig zu.Demzufolge könnte sichdas elektrisch leitfähigeBlattmaterial ungewünschtverformen, sodass die gewünschteDichtleistung nicht erreicht werden kann.With this structure, however, there is a high possibility that adjacent sealing elements 5a . 5b bother each other. In particular, the local line pressure or surface pressure on the seal connection decreases 5c is exercised excessively. As a result, the electrically conductive sheet material could deform undesirably, so that the desired sealing performance cannot be achieved.
    [0008] Hauptaufgabe der Erfindung ist esdaher, eine Brennstoffzelle mit einer einfachen Struktur anzugeben,worin der auf die Dichtungselemente ausgeübte Liniendruck oder Oberflächendruck örtlich nichtansteigt, sodass die Dichtleistung beibehalten werden kann und einegewünschteStromerzeugungsleistung erreicht werden kann.The main object of the invention istherefore, to provide a fuel cell with a simple structurewherein the line pressure or surface pressure exerted on the sealing elements is not localincreases so that the sealing performance can be maintained and adesiredPower generation performance can be achieved.
    [0009] Erfindunggemäß wird eine Dichtungsstruktur zwischender Elektrolytelektrodenanordnung und dem Separator angegeben, diezumindest eine Elektrode, eine Reaktionsgaszufuhrleitung und eineReaktionsgasauslassleitung umgibt. Die Dichtungsstruktur enthält eineDichtungsverbindung und zumindest zwei Dichtungselemente, die mitbzw. an der Dichtungsverbindung verbunden sind. Ein Innenwinkelder Dichtungsverbindung, der durch Mittellinien der Dichtungselementedefiniert ist, liegt im Bereich von 40° bis 90°, und die Dichtungsverbindungenthält einengekrümmtenAbschnitt zum Verbinden der Dichtungselemente.According to the invention, a sealing structure betweenthe electrolyte electrode assembly and the separator specifiedat least one electrode, a reaction gas supply line and oneReaction gas outlet line surrounds. The sealing structure contains oneSealing connection and at least two sealing elements withor are connected to the seal connection. An inside anglethe seal connection through the center lines of the seal elementsis defined, is in the range of 40 ° to 90 °, and the seal connectioncontains onecurvedSection for connecting the sealing elements.
    [0010] Da der durch die Mittellinien derDichtungselemente definierte Innenwinkel an der Dichtungsverbindungim Bereich von 40° bis90° liegt,steigt der auf die Dichtungsverbindung ausgeübte Oberflächendruck nicht übermäßig an,wenn die Dichtungselemente zusammengedrückt werden. Der Druck wirdauf die Gesamtoberflächender Dichtungselemente gleichmäßig ausgeübt. Da dieDichtungsverbindung den gekrümmtenAbschnitt zum Verbinden der Dichtungselemente aufweist, tritt ander Dichtungsverbindung keine Spannungskonzentration auf. Die Differenzzwischen dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck und dem auf den geradenAbschnitt des Dichtungselements ausgeübten Oberflächendruck ist klein.Since the inner angle defined by the center lines of the sealing elements at the sealing connection is in the range from 40 ° to 90 °, the surface pressure exerted on the sealing connection does not increase excessively when the sealing elements are pressed together. The pressure is exerted evenly on the entire surfaces of the sealing elements. Since the seal connection has the curved section for connecting the seal elements, no stress concentration occurs at the seal connection. The difference between that on the seal joint The exerted surface pressure and the surface pressure exerted on the straight section of the sealing element is small.
    [0011] Somit werden ungewünschte Wechselwirkungenzwischen den Dichtungselementen verhindert. Der Oberflächendruckoder Liniendruck steigt örtlichnicht an.This creates undesirable interactionsprevented between the sealing elements. The surface pressureor line pressure increases locallynot at.
    [0012] Der gekrümmte Abschnitt der Dichtungsverbindunghat einen KrümmungsradiusR im Bereich von 6,0 mm bis 9,0 mm. Somit ist die Differenz zwischendem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck und dem auf den geradenAbschnitt des Dichtungselements ausgeübten Oberflächendruck klein, und der maximaleInnendruck der Dichtungsstruktur ist außerordentlich hoch.The curved section of the seal connectionhas a radius of curvatureR in the range of 6.0 mm to 9.0 mm. So the difference betweenthe surface pressure exerted on the seal connection and that on the straight oneSection of the sealing element exerted small surface pressure, and the maximumThe internal pressure of the sealing structure is extremely high.
    [0013] Die obigen und andere Ziele, Merkmaleund Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibungin Verbindung mit den beigefügtenZeichnungen ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungender Erfindung anhand von Ausführungsbeispielengezeigt sind.The above and other goals, characteristicsand advantages of the invention will become apparent from the following descriptionin conjunction with the attachedDrawings can be seen in which preferred versionsthe invention based on exemplary embodimentsare shown.
    [0014] 1 isteine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Brennstoffzellegemäß einerAusführung; 1 12 is an exploded perspective view of main components of a fuel cell according to an embodiment;
    [0015] 2 isteine Querschnittsansicht von Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels, derdurch Stapeln der Brennstoffzellen gebildet ist; 2 FIG. 13 is a cross-sectional view of main components of a fuel cell stack formed by stacking the fuel cells;
    [0016] 3 isteine Vorderansicht eines ersten Metallseparators der Brennstoffzelle; 3 11 is a front view of a first metal separator of the fuel cell;
    [0017] 4 zeigtHauptkomponenten einer ersten Dichtungsstruktur, die in dem erstenMetallseparator vorgesehen ist; 4 shows major components of a first seal structure provided in the first metal separator;
    [0018] 5 isteine Querschnittsansicht eines Dichtungselements der Brennstoffzelle; 5 14 is a cross-sectional view of a sealing member of the fuel cell;
    [0019] 6 isteine Graphik, die eine Beziehung zwischen dem Oberflächendruck,der auf einen geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird, unddem Oberflächendruck,der auf eine Dichtungsverbindung ausgeübt wird, bei verschiedenenInnenwinkeln zeigt; 6 Fig. 12 is a graph showing a relationship between the surface pressure applied to a straight portion of the seal member and the surface pressure applied to a seal joint at various inside angles;
    [0020] 7 isteine Graphik, die eine Beziehung zwischen dem auf die DichtungsverbindungausgeübtenOberflächendruckund Dichtungsbreite zeigt; 7 Fig. 12 is a graph showing a relationship between the surface pressure applied to the seal joint and the seal width;
    [0021] 8 zeigteine Beziehung zwischen dem erhöhtenBetrag des Oberflächendrucks,der auf die Dichtungsverbindung ausgeübt wird, und dem durchschnittlichenOberflächendruck,der auf einen geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird, beiunterschiedlichen Krümmungsradien; 8th shows a relationship between the increased amount of surface pressure applied to the seal joint and the average surface pressure applied to a straight portion of the seal member at different radii of curvature;
    [0022] 9 zeigteine Beziehung zwischen dem maximalen Innendruck und dem Krümmungsradius; und 9 shows a relationship between the maximum internal pressure and the radius of curvature; and
    [0023] 10 isteine Vorderansicht einer herkömmlichenDichtungsstruktur. 10 is a front view of a conventional seal structure.
    [0024] 1 isteine Explosionsperspektivansicht, welche Hauptkomponenten einerBrennstoffzelle 10 gemäß einerAusführungzeigt; und 2 ist eine Querschnittsansicht,die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels 12 zeigt,der durch Stapeln der Mehrzahl der Brennstoffzellen 10 gebildetist. 1 Fig. 3 is an exploded perspective view of the main components of a fuel cell 10 according to one embodiment; and 2 10 is a cross-sectional view showing the main components of a fuel cell stack 12 shows that by stacking the plurality of fuel cells 10 is formed.
    [0025] Wie in 2 gezeigt,wird der Brennstoffzellenstapel 2 gebildet, indem eineMehrzahl der Brennstoffzellen 10 in der mit dem Pfeil Aangegebenen Richtung gestapelt werden. Endplatten 14a, 14b sind anin der Stapelrichtung entgegengesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen.Die Endplatten 14a, 14b sind durch Koppelstangen(nicht gezeigt) befestigt, um die Brennstoffzellen 10 miteiner vorbestimmten Dichtziehkraft in der mit dem Pfeil A angegebenenRichtung dichtzuziehen.As in 2 shown is the fuel cell stack 2 formed by a plurality of the fuel cells 10 stacked in the direction indicated by arrow A. endplates 14a . 14b are at opposite ends of the fuel cell stack in the stacking direction 12 intended. The end plates 14a . 14b are attached to the fuel cells by coupling rods (not shown) 10 with a predetermined sealing pulling force in the direction indicated by arrow A.
    [0026] Wie in 1 gezeigt,enthältdie Brennstoffzelle 10 eine Membranelektrodenanordnung(Elektrolytelektrodenanordnung) 16 sowie erste und zweiteMetallseparatoren 18, 20, die die Membranelektrodenanordnung 16 zwischensich aufnehmen. Z.B. sind die ersten und zweiten Metallseparatoren 18, 20 rostfreieStahlplatten, Aluminiumplatten, plattierte Stahlbleche oder Metallplatten,die durch Oberflächenbehandlungantikorrosive Oberflächenhaben. Die ersten und zweiten Metallseparatoren 18, 20 habeneine Dicke im Bereich von z.B. 0,05 mm bis 1,0 mm. Anstatt der erstenund zweiten Metallseparatoren 18, 20 können Kohlenstoffseparatorenoder abgeschieferte Graphitseparatoren verwendet werden.As in 1 shown contains the fuel cell 10 a membrane electrode arrangement (electrolyte electrode arrangement) 16 and first and second metal separators 18 . 20 that the membrane electrode assembly 16 record between them. For example, the first and second metal separators 18 . 20 stainless steel plates, aluminum plates, clad steel sheets or metal plates that have anti-corrosive surfaces due to surface treatment. The first and second metal separators 18 . 20 have a thickness in the range of, for example, 0.05 mm to 1.0 mm. Instead of the first and second metal separators 18 . 20 carbon separators or shale graphite separators can be used.
    [0027] Wie in 1 gezeigt,sind am einen horizontalen Ende der Brennstoffzelle 10 inder mit dem Pfeil B angegebenen Richtung eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung(Reaktionsgaszufuhrleitung) 30a zum Zuführen eines sauerstoffhaltigenGases, eine Kühlmittelabführleitung 32b zumAbführeneines Kühlmittelssowie eine Brenngasabführleitung(Reaktionsgasabführleitung) 34b zumAbführeneines Brenngases, wie etwa eines wasserstoffhaltigen Gases, vertikalin der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a,die Kühlmittelabführleitung 32b unddie Brengasabführleitung 34b erstreckensich durch die Brennstoffzelle 10 in der mit dem PfeilA angegebenen Stapelrichtung.As in 1 are shown at one horizontal end of the fuel cell 10 an oxygen-containing gas supply line (reaction gas supply line) in the direction indicated by arrow B 30a for supplying an oxygen-containing gas, a coolant discharge line 32b for removing a coolant and a fuel gas discharge line (reaction gas discharge line) 34b for discharging a fuel gas, such as a hydrogen-containing gas, arranged vertically in the direction indicated by the arrow C. The oxygen-containing gas supply line 30a , the coolant discharge line 32b and the fuel gas discharge line 34b extend through the fuel cell 10 in the stacking direction indicated by arrow A.
    [0028] An dem anderen horizontalen Endeder Brennstoffzelle 10 in der mit dem Pfeil B angegebenenRichtung sind eine Brenngaszuführleitung(Reaktionsgaszuführleitung) 34a zumZuführendes Brenngases, eine Kühlmittelzuführleitung 32a zum Zuführen desKühlmittelssowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung (Reaktionsgasabführleitung) 30b zumAbführendes sauerstoffhaltigen Gases vertikal in der mit dem Pfeil C angegebenenRichtung angeordnet. Die Brenngaszuführleitung 34a, die Kühlmittelzuführleitung 32a unddie Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b erstreckensich durch die Brennstoffzelle 10 in der mit dem PfeilA angegebenen Richtung.At the other horizontal end of the fuel cell 10 in the direction indicated by arrow B are a fuel gas supply line (reaction gas supply line) 34a for supplying the fuel gas, a coolant supply line 32a for supplying the coolant and an oxygen-containing gas discharge line (reaction gas discharge line) 30b arranged to discharge the oxygen-containing gas vertically in the direction indicated by the arrow C. The fuel gas supply line 34a , the coolant supply line 32a and the oxygen-containing gas discharge line 30b extend through the fuel cell 10 in the direction indicated by arrow A.
    [0029] Die Membranelektrodenanordnung 16 umfassteine Anode 38, eine Kathode 40 sowie eine Festpolymer-Elektrolytmembrane 36,die zwischen der Anode 38 und der Kathode 40 angeordnetist. Die Festpolymer-Elektrolytmembrane 36 ist gebildet,indem z.B. eine dünneMembrane aus Perfluorsulfonsäuremit Wasser imprägniertwird.The membrane electrode assembly 16 includes an anode 38 , a cathode 40 and a solid polymer electrolyte membrane 36 between the anode 38 and the cathode 40 is arranged. The Solid polymer electrolyte membrane 36 is formed by, for example, impregnating a thin membrane made of perfluorosulfonic acid with water.
    [0030] Jede Anode 38 und Kathode 40 enthält eine Gasdiffusionsschicht,wie etwa ein Kohlepapier, sowie eine Elektrodenkatalysatorschichtaus Platinlegierung, die auf porösenKohlenstoffpartikeln angebracht ist. Die Kohlenstoffpartikel sindgleichmäßig aufdie Oberflächeder Gasdiffusionsschicht aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschichtder Anode 38 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 40 sindjeweilsan beiden Oberflächender Festpolymer-Elektrolytmembrane 36 fixiert.Any anode 38 and cathode 40 includes a gas diffusion layer, such as carbon paper, and a platinum alloy electrode catalyst layer attached to porous carbon particles. The carbon particles are evenly deposited on the surface of the gas diffusion layer. The anode electrode catalyst layer 38 and the electrode catalyst layer of the cathode 40 are on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 fixed.
    [0031] Der erste Metallseparator 40 weistauf seiner zur Membranelektrodenanordnung 16 weisenden Oberfläche 18a einSauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld(Reaktionsgasströmungsfeld) 42 auf.Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 enthält eineMehrzahl von Nuten, die sich z.B. in der mit dem Pfeil B angegebenenRichtung geradeaus erstrecken. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 istam einen Ende mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a verbundenund ist am anderen Ende mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b verbunden.Wie in den 1 und 2 gezeigt, weist der zweiteMetallseparator 20 auf seiner zu der Membranelektrodenanordnung 16 weisendenOberfläche 20a einBrenngasströmungsfeld(Reaktionsgasströmungsfeld) 44 auf.Das Brenngasströmungsfeld 44 enthält eineMehrzahl von Nuten, die sich in der mit dem Pfeil B angegebenenRichtung geradeaus erstrecken. Das Brenngasströmungsfeld 44 ist ameinen Ende mit der Brenngaszufuhrpassage 34a verbunden,und ist am anderen Ende mit der Brenngasabführpassage 34b verbunden.The first metal separator 40 points to the membrane electrode assembly 16 facing surface 18a an oxygen-containing gas flow field (reaction gas flow field) 42 on. The oxygen-containing gas flow field 42 contains a plurality of grooves which, for example, extend straight in the direction indicated by the arrow B. The oxygen-containing gas flow field 42 is at one end with the oxygen-containing gas supply line 30a connected and is at the other end with the oxygen-containing gas discharge line 30b connected. As in the 1 and 2 shown, the second metal separator 20 on its to the membrane electrode assembly 16 facing surface 20a a fuel gas flow field (reaction gas flow field) 44 on. The fuel gas flow field 44 contains a plurality of grooves extending straight in the direction indicated by arrow B. The fuel gas flow field 44 is at one end with the fuel gas supply passage 34a connected, and is at the other end with the fuel gas discharge passage 34b connected.
    [0032] Ein Kühlmittelströmungsfeld 46 ist zwischen einerOberfläche 18b desersten Metallseparators 18 und einer Oberfläche 20b deszweiten Metallseparators 20 gebildet. Das Kühlmittelströmungsfeld 46 enthält eineMehrzahl von Nuten, die sich in der mit dem Pfei B angegebenen Richtunggeradeaus erstrecken. Das Kühlmittelströmungsfeld 46 istam einen Ende mit der Kühlmittelzuführleitung 32a verbunden,und ist am anderen Ende mit der Kühlmittelabführpassage 32b verbunden.A coolant flow field 46 is between a surface 18b of the first metal separator 18 and a surface 20b of the second metal separator 20 educated. The coolant flow field 46 contains a plurality of grooves extending straight in the direction indicated by the arrow B. The coolant flow field 46 is at one end with the coolant supply line 32a connected, and is at the other end with the coolant discharge passage 32b connected.
    [0033] Eine erste Dichtungsstruktur 50 istan der Oberfläche 18a desersten Metallseparators 18 um die Kathode 40,d.h. um das Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42,die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung30b herum vorgesehen. Wie in 3 gezeigt,enthältdie erste Dichtungsstruktur 50 eine Mehrzahl von Dichtungselementen.Die erste Dichtungsstruktur 50 enthält ein Dichtungselement (erstesDichtungselement) 52, das um einen Außenbereich auf der Oberfläche 14a desersten Metallseparators 18 herum vorgesehen ist.A first sealing structure 50 is on the surface 18a of the first metal separator 18 around the cathode 40 , ie around the oxygen-containing gas flow field 42 who have favourited Oxygen Gas Feed Line 30a and the oxygen-containing gas discharge pipe 30b are provided around. As in 3 shown contains the first sealing structure 50 a plurality of sealing elements. The first sealing structure 50 contains a sealing element (first sealing element) 52 that is around an outside area on the surface 14a of the first metal separator 18 is provided around.
    [0034] Ein zweites Dichtungselement 52b istmit dem Dichtungselement 52a verbunden, um eine Leckagezwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 undder Brenngaszuführleitung 34a zu verhindern.Ferner ist ein Dichtungselement 52c mit dem Dichtungselement 52a unddem Dichtungselement 52b verbunden, um eine Leckage zwischender Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführleitung 42 undder Kühlmittelzufuhrleitung 32a zuverhindern.A second sealing element 52b is with the sealing element 52a connected to leakage between the oxygen-containing gas flow field 42 and the fuel gas supply line 34a to prevent. There is also a sealing element 52c with the sealing element 52a and the sealing element 52b connected to leakage between the oxygen-containing gas supply line 42 and the coolant supply line 32a to prevent.
    [0035] Ähnlichist ein Dichtungselement 52d mit dem Dichtungselement 52a verbunden,um eine Leckage zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 undder Brenngasabführleitung 34b zu verhindern.Ein Dichtungselement 52e ist mit dem Dichtungselement 52a unddem Dichtungselement 52d verbunden, um eine Leckage zwischender Kühlmittelabführleitung 32b unddem Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 zuverhindern. Ferner sind Dichtungselemente (dritte Dichtungselemente) 52f, 52g mitdem Dichtungselement 52a nahe der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführleitung 30a bzw.der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b verbunden,um den Fluss des sauerstoffhaltigen Gases zu führen.A sealing element is similar 52d with the sealing element 52a connected to leakage between the oxygen-containing gas flow field 42 and the fuel gas discharge line 34b to prevent. A sealing element 52e is with the sealing element 52a and the sealing element 52d connected to leakage between the coolant discharge line 32b and the oxygen-containing gas flow field 42 to prevent. Furthermore, sealing elements (third sealing elements) 52f . 52g with the sealing element 52a near the oxygen-containing gas supply line 30a or the oxygen-containing gas discharge line 30b connected to guide the flow of the oxygen-containing gas.
    [0036] Am einen Ende der ersten Dichtungsstruktur 50 inder mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind Dichtungsverbindungenbzw. Verbindungsstellen oder Gabelungen 54a, 54b, 54c, 54d ausgebildet. DasDichtungselement 52a und das Dichtungselement 52b sindan der Dichtungsverbindung 54a verbunden. Das Dichtungselement 52b unddas Dichtungselement 52c sind an der Dichtungsverbindung 54b verbunden.Das Dichtungselement 52c und das Dichtungselement 52a sindan der Dichtungsverbindung 54c verbunden. Das Dichtungselement 52a unddas Dichtungselement 52g sind an der Dichtungsverbindung 54d verbunden.At one end of the first seal structure 50 in the direction indicated by arrow B are sealing connections or connection points or crotch joints 54a . 54b . 54c . 54d educated. The sealing element 52a and the sealing element 52b are on the seal connection 54a connected. The sealing element 52b and the sealing element 52c are on the seal connection 54b connected. The sealing element 52c and the sealing element 52a are on the seal connection 54c connected. The sealing element 52a and the sealing element 52g are on the seal connection 54d connected.
    [0037] Am anderen Ende der erste Dichtungsstruktur 50 inder mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind Dichtungsverbindungenbzw. Verbindungsstellen oder Gabelungen 54e, 54f, 54g, 54h ausgebildet. DasDichtungselement 52a und das Dichtungselement 52d sindan der Dichtungsverbindung 54e verbunden. Das Dichtungselement 52d unddas Dichtungselement 52e sind an der Dichtungsverbindung 54f verbunden.Das Dichtungselement 52e und das Dichtungselement 52a sindan der Dichtungsverbindung 54g verbunden. Das Dichtungselement 52a unddas Dichtungselement 52f sind an der Dichtungsverbindung 54h verbunden.At the other end of the first sealing structure 50 in the direction indicated by arrow B are sealing connections or connection points or crotch joints 54e . 54f . 54g . 54h educated. The sealing element 52a and the sealing element 52d are on the seal connection 54e connected. The sealing element 52d and the sealing element 52e are on the seal connection 54f connected. The sealing element 52e and the sealing element 52a are on the seal connection 54g connected. The sealing element 52a and the sealing element 52f are on the seal connection 54h connected.
    [0038] Da die Dichtungsverbindungen 54a bis 54h diegleiche Struktur haben, wird im Detail nur eine der Dichtungsverbindungen 54a bis 54h,d.h. die Dichtungsverbindung 54a, im Detail beschrieben,und die Beschreibung der anderen Dichtungsverbindungen 54b bis 54h wirdweggelassen.Because the seal connections 54a to 54h have the same structure, in detail only one of the seal connections 54a to 54h , ie the seal connection 54a , described in detail, and the description of the other seal connections 54b to 54h is omitted.
    [0039] In 4 liegtein Innenwinkel θ derDichtungsverbindung 54a, der durch die Mittellinien der Dichtungselemente 52a, 52b definiertist, im Bereich von 40° bis90 °, undbevorzugt im Bereich von 60° bis90°. DieDichtungsverbindung 54a weist einen gekrümmten Abschnittauf, der mit dem Dichtungselement 52a und dem Dichtungselement 52b verbundenist. Der gekrümmteAbschnitt hat einen KrümmungsradiusR im Bereich von 6,0 mm bis 9,0 mm. Ein mit der Dichtungsverbindung 54a verbundener Abschnittdes Dichtungselements 52b weist eine Dichtungsbreite Wauf, die im Wesentlichen gleich der Dichtungsbreite des Dichtungselements 52a ist. Daherwerden ungewünschteWechselwirkungen zwischen den Dichtungselementen 52a, 52b verhindert.In 4 there is an internal angle θ of the seal connection 54a by the center lines of the sealing elements 52a . 52b is defined, in the range from 40 ° to 90 °, and preferably in the range from 60 ° to 90 °. The seal connection 54a has a curved section which is connected to the sealing element 52a and the sealing element 52b verbun that is. The curved section has a radius of curvature R in the range from 6.0 mm to 9.0 mm. One with the seal connection 54a connected section of the sealing element 52b has a seal width W which is substantially equal to the seal width of the sealing element 52a is. Therefore undesirable interactions between the sealing elements 52a . 52b prevented.
    [0040] Die erste Dichtungsstruktur 50 istaus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterialoder Packungsmaterial hergestellt, wie etwa EPDM (Ethylenpropylendienmonomer),NBR (Nitrilbutadiengummi), Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi,Butylgummi (Isobutenisoprengummi), Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummioder Acrylgummi. Die erste Dichtungsstruktur 50 hat eineHärte imBereich von 30° bis50° gemäß dem JISK6253Durometer, Typ A.The first sealing structure 50 is made of sealing material, damping material or packing material, such as EPDM (ethylene propylene diene monomer), NBR (nitrile butadiene rubber), fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber (isobutene isoprene rubber), natural rubber, styrene rubber, chloroprene rubber or acrylic rubber. The first sealing structure 50 has a hardness in the range of 30 ° to 50 ° according to the JISK6253 Durometer, type A.
    [0041] Wie in 5 gezeigt,enthältdie erste Dichtungsstruktur 50 einen Basisabschnitt 56,der integral an der Oberfläche 18a desersten Metallseparators 18 ausgebildet ist, und einen Säulenabschnitt 58,der einen säulenförmigen Querschnitthat, sowie einen gekrümmtenRandabschnitt 60, der einen gekrümmten Querschnitt mit einemvorbestimmten Krümmungsradiushat. Der Säulenabschnitt 58 stehtvon dem Basisabschnitt 56 mit einem vorbestimmten Einzugs-bzw. Hinterschneidungswinkel, z.B. im Bereich von 0° bis 1 °, vor.As in 5 shown contains the first sealing structure 50 a base section 56 that is integral to the surface 18a of the first metal separator 18 is formed, and a column portion 58 , which has a columnar cross section, and a curved edge section 60 which has a curved cross section with a predetermined radius of curvature. The column section 58 stands from the base section 56 with a predetermined indentation or undercut angle, for example in the range from 0 ° to 1 °.
    [0042] Der Krümmungsradius R1 des gekrümmten Randabschnitts 60 liegtim Bereich von 1,0 mm bis 3,0 mm. Die Dichtungsbreite des gekrümmten Randabschnitts 60 ist1,0 mm oder größer. Wennder gekrümmteRandabschnitt 60 in Kontakt mit der Festpolymerelektrolytmembrane 36 ist, umdie Oberfläche 20a deszweiten Metallseparators 20 unter Druck zu setzen, istdie Breite der Kontaktfläche1,5 mm oder größer. DasAspektverhältnisder ersten Dichtungsstruktur 50 ist nicht größer als1,5, d.h.The radius of curvature R1 of the curved edge section 60 is in the range of 1.0 mm to 3.0 mm. The gasket width of the curved edge section 60 is 1.0 mm or larger. If the curved edge section 60 in contact with the solid polymer electrolyte membrane 36 is to the surface 20a of the second metal separator 20 to pressurize, the width of the contact area is 1.5 mm or larger. The aspect ratio of the first seal structure 50 is not greater than 1.5, ie
    [0043] H/W ≤ 1,5 (wobei W die Breite desSäulenabschnitts 58 istund H die Höhevon dem Basisabschnitt 56 zu dem gekrümmten Randabschnitt 60 ist). DerKrümmungsradiusR2 des Basisabschnitts 56 liegt im Bereich von 0,3 mm bis1,0 mm, um eine Spannungskonzentration zwischen dem Säulenabschnitt 58 unddem Basisabschnitt 56 zu verhindern.H / W ≤ 1.5 (where W is the width of the column section 58 and H is the height from the base portion 56 to the curved edge section 60 is). The radius of curvature R2 of the base section 56 is in the range of 0.3 mm to 1.0 mm by a stress concentration between the column portion 58 and the base section 56 to prevent.
    [0044] Wie in den 1 und 2 gezeigt,ist eine zweite Dichtungsstruktur 62 auf der Oberfläche 18b des erstenMetallseparators 18 ausgebildet. Die zweite Dichtungsstruktur 62 enthält ein Dichtungselement 64a,das einen Außenbereichder Oberfläche 18b umgibt,ein Dichtungselement 64b zum Verhindern einer Leckage zwischendem Kühlmittelströmungsfeld 46 undder Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a, sowie einDichtungselement 64c zum Verhindern einer Leckage zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 undder Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b.Die zweite Dichtungsstruktur 62 enthält ein Dichtungselement 64d zumverhindern einer Leckage zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und derBrenngaszuführleitung 34a,sowie ein Dichtungselement 64e zum Verhindern eine Leckagezwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 undder Brenngasabführleitung 34b.Ferner enthältdie zweite Dichtungsstruktur 62 Dichtungselemente 64f,die jeweils mit den Dichtungselementen 62b bis 62e verbundensind. Die zweite Dichtungsstruktur 62 hat einen rechteckigenQuerschnitt.As in the 1 and 2 shown is a second sealing structure 62 on the surface 18b of the first metal separator 18 educated. The second sealing structure 62 contains a sealing element 64a that is an exterior of the surface 18b surrounds a sealing element 64b to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the oxygen-containing gas supply line 30a , and a sealing member 64c for preventing leakage between the coolant flow field 46 and the oxygen-containing gas discharge line 30b , The second sealing structure 62 contains a sealing element 64d to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the fuel gas supply line 34a , as well as a sealing element 64e to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the fuel gas discharge line 34b , The second seal structure also contains 62 sealing elements 64f , each with the sealing elements 62b to 62e are connected. The second sealing structure 62 has a rectangular cross section.
    [0045] Eine dritte Dichtungsstruktur 68 istauf der Oberfläche 20b deszweiten Metallseparators 20 ausgebildet. Die dritte Dichtungsstruktur 68 enthält ein Dichtungselement 70a,das einen Außenbereich aufder Oberfläche 20b umgibt,ein Dichtungselement 70b zum Verhindern einer Leckage zwischen demKühlmittelströmungsfeld 46 undder Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrleitung 30a,sowie ein Dichtungselement 70c zum Verhindern einer Leckagezwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 undder Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b.Die dritte Dichtungsstruktur 68 enthält ein Dichtungselement 70d zumVerhindern einer Leckage zwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 und derBrenngaszuführleitung 34a,sowie ein Dichtungselement 70e zum Verhindern einer Leckagezwischen dem Kühlmittelströmungsfeld 46 undder Brenngasabführleitung 34b.Ferner enthältdie dritte Dichtungsstruktur 68 Dichtungselemente 70f,die jeweils mit den Dichtungselementen 70b bis 70e verbundensind.A third sealing structure 68 is on the surface 20b of the second metal separator 20 educated. The third sealing structure 68 contains a sealing element 70a that has an outdoor area on the surface 20b surrounds a sealing element 70b to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the oxygen-containing gas supply line 30a , as well as a sealing element 70c to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the oxygen-containing gas discharge line 30b , The third sealing structure 68 contains a sealing element 70d to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the fuel gas supply line 34a , as well as a sealing element 70e to prevent leakage between the coolant flow field 46 and the fuel gas discharge line 34b , The third seal structure also includes 68 sealing elements 70f , each with the sealing elements 70b to 70e are connected.
    [0046] Eine vierte Dichtungsstruktur 74 istauf der Oberfläche 20a deszweiten Metallseparators 20 ausgebildet. Die vierte Dichtungsstruktur 74 enthält ein Dichtungselement 76a,das einen Außenbereich aufder Oberfläche 20a umgibt,ein Dichtungselement 76b zum Verhindern einer Leckage zwischen demBrenngasströmungsfeld 44 undder Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführpassage 30a,sowie ein Dichtungselement 76c zum Verhindern einer Leckage zwischendem Brenngasströmungsfeld 44 undder Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b.Die vierte Dichtungsstruktur 74 enthält ein Dichtungselement 76d zumVerhindern einer Leckage zwischen dem Brenngasströmungsfeld 44 undder Kühlmittelzufuhrleitung 32a,sowie ein Dichtungselement 76e zum Verhindern einer Leckagezwischen dem Brenngasströmungsfeld 44 undder Kühlmittelabführleitung 32b.Ferner sind Dichtungselemente 76 mit dem Dichtungselement 76a naheder Brenngaszuführleitung 34a bzw.der Brenngasabführleitung 34b verbunden.Die vierte Dichtungsstruktur 74 hat, wie auch die zweiteDichtungsstruktur 62, einen rechteckigen Querschnitt.A fourth sealing structure 74 is on the surface 20a of the second metal separator 20 educated. The fourth sealing structure 74 contains a sealing element 76a that has an outdoor area on the surface 20a surrounds a sealing element 76b to prevent leakage between the fuel gas flow field 44 and the oxygen-containing gas supply passage 30a , as well as a sealing element 76c to prevent leakage between the fuel gas flow field 44 and the oxygen-containing gas discharge line 30b , The fourth sealing structure 74 contains a sealing element 76d to prevent leakage between the fuel gas flow field 44 and the coolant supply line 32a , as well as a sealing element 76e to prevent leakage between the fuel gas flow field 44 and the coolant discharge line 32b , There are also sealing elements 76 with the sealing element 76a near the fuel gas supply line 34a or the fuel gas discharge line 34b connected. The fourth sealing structure 74 like the second sealing structure 62 , a rectangular cross section.
    [0047] Die zweiten bis vierten Dichtungsstrukturen 62, 68, 74 haben,wie auch die erste Dichtungsstruktur 50, Dichtungsverbindungen.Die Dichtungsverbindungen der zweiten bis vierten Dichtungsstrukturen 62, 68, 74 habendie gleiche Struktur wie die in 4 gezeigteDichtungsverbindung 54a und eine Beschreibung davon istweggelassen.The second to fourth sealing structures 62 . 68 . 74 like the first seal structure 50 , Sealing connections. The seal connections of the second to fourth seal structures 62 . 68 . 74 have the same structure as that in 4 shown seal connection 54a and a description thereof is omitted.
    [0048] Als Nächstes wird der Betrieb derBrennstoffzelle 10 beschrieben.Next is the operation of the fuel cell 10 described.
    [0049] Im Betrieb wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltigesGas, wie etwa Luft, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführleitung 30a zugeführt, wird Brenngas,wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, der Brenngaszuführleitung 34a zugeführt, undwird Kühlmittel,wie etwa reines Wasser, ein Ethylenglykol oder ein Öl, der Kühlmittelzuführleitung 32a zugeführt.In operation, as in 1 shown, an oxygen-containing gas such as air, the oxygen-containing gas supply line 30a fuel gas, such as hydrogen-containing gas, is supplied to the fuel gas supply pipe 34a coolant such as pure water, an ethylene glycol or an oil is supplied to the coolant supply pipe 32a fed.
    [0050] Das sauerstoffhaltige Gas strömt von der Sauerstoffhatliges-Gas-Zuführleitung 30a indas Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 42 desersten Metallseparators 18. Das sauerstoffhaltige Gas strömt in dermit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang der Kathode 40 derMembranelektrodenanordnung 60, um eine chemische Reaktionan der Kathode 40 auszulösen. Das Brenngas strömt von der Brenngaszufuhrleitung 34a indas Brenngasströmungsfeld 44 deszweiten Metallseparators 20. Das Brenngas strömt in dermit dem Pfeil B angegebenen Richtung entlang der Anode 38 derMembranelektrodenanordnung 60, um an der Anode 38 einechemische Reaktion auszulösen.The oxygen-containing gas flows from the oxygen-containing gas supply line 30a into the oxygen-containing gas flow field 42 of the first metal separator 18 , The oxygen-containing gas flows along the cathode in the direction indicated by arrow B. 40 the membrane electrode assembly 60 to a chemical reaction on the cathode 40 trigger. The fuel gas flows from the fuel gas supply line 34a into the fuel gas flow field 44 of the second metal separator 20 , The fuel gas flows along the anode in the direction indicated by arrow B. 38 the membrane electrode assembly 60 to the anode 38 trigger a chemical reaction.
    [0051] In der Membranelektrodenanordnung 16 werdendas der Kathode 40 zugeführte sauerstoffhaltige Gasund das Anode 38 zugeführteBrenngas in den elektrochemischen Reaktionen an den Katalysatorschichtender Kathode 40 und der Anode 38 verbraucht, umElektrizitätzu erzeugen.In the membrane electrode assembly 16 become the cathode 40 supplied oxygen-containing gas and the anode 38 supplied fuel gas in the electrochemical reactions on the catalyst layers of the cathode 40 and the anode 38 consumed to produce electricity.
    [0052] Nachdem das sauerstoffhaltige Gasan der Kathode 40 verbraucht ist, strömt das sauerstoffhaltige Gasin die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführleitung 30b undströmtin der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung. Ähnlich strömt, nachdem das Brenngas an derAnode 38 verbraucht ist, dieses Brenngas in die Brenngasabführleitung 34b undströmtin der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.After the oxygen-containing gas at the cathode 40 is used, the oxygen-containing gas flows into the oxygen-containing gas discharge line 30b and flows in the direction indicated by arrow A. Similarly, after the fuel gas flows at the anode 38 is consumed, this fuel gas in the fuel gas discharge line 34b and flows in the direction indicated by arrow A.
    [0053] Das den Kühlmittelzuführleitungen 32a zugeführte Kühlmittelströmtin das Kühlmittelströmungsfeld 46 zwischenden ersten und zweiten Metallseparatoren 18, 20 undströmtin der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel zumKühlender Membranelektrodenanordnung 16 verbraucht ist, wirddas Kühlmittelin die Kühlmittelabführleitung 32b abgegeben.That the coolant supply lines 32a supplied coolant flows into the coolant flow field 46 between the first and second metal separators 18 . 20 and flows in the direction indicated by arrow B. After the coolant for cooling the membrane electrode assembly 16 is used, the coolant is in the coolant discharge line 32b issued.
    [0054] In der vorliegenden Ausführung istdie Kontaktflächezwischen der ersten Dichtungsstruktur 50 und der Dichtungsfläche (Festpolymerelektrolytmembrane 36)im Vergleich zur herkömmlichenDichtungsstruktur, die eine Lippenform hat, groß. Auch wenn somit die erstenund zweiten Metallseparatoren 18, 20 aufgrunddes Gasdrucks in der Brennstoffzelle 10 verformt werdenoder die Oberflächender Metallseparatoren 18, 20 wellig werden, sichverwerfen oder verdreht werden, bleibt die gewünschte Dichtleistung erhalten.In the present embodiment, the contact area is between the first sealing structure 50 and the sealing surface (solid polymer electrolyte membrane 36 ) large compared to the conventional sealing structure, which has a lip shape. Even if the first and second metal separators 18 . 20 due to the gas pressure in the fuel cell 10 deformed or the surfaces of the metal separators 18 . 20 the desired sealing performance is retained, if it becomes wavy, warps or is twisted.
    [0055] Wenn ferner eine Mehrzahl der Brennstoffzellen 10 aufeinandergestapeltwerden, um, den Brennstoffzellenstapel 12 zu bilden, hatdie erste Dichtungsstruktur 50 die erforderliche Zähigkeit.Es kommt zu keinem Positionsversatz der ersten Dichtungsstruktur 50.Wenn der gekrümmte Randabschnitt 60 derersten Dichtungsstruktur 50 gegen die Dichtfläche gedrückt wird,verformt sich der Säulenabschnitt 58 derersten Dichtungsstruktur 50, um die Bewegung der Dichtungsfläche zu kompensieren,sodass sich der gekrümmte Randabschnitt 60 zusammenmit der Dichtflächebewegt.Furthermore, when a plurality of the fuel cells 10 are stacked on top of each other to form the fuel cell stack 12 has to form the first sealing structure 50 the required toughness. There is no positional offset of the first sealing structure 50 , If the curved edge section 60 the first sealing structure 50 is pressed against the sealing surface, the column section deforms 58 the first sealing structure 50 to compensate for the movement of the sealing surface so that the curved edge section 60 moved together with the sealing surface.
    [0056] Wenn somit der Brennstoffzellenstapel 12 an einemFahrzeug angebracht wird, steht die erste Dichtungsstruktur 50 inzuverlässigemKontakt mit der Dichtfläche,wobei Vibrationen, währenddas Fahrzeug fährt,und Stöße beimplötzlichenBremsen und bei plötzlicherBeschleunigung absorbiert werden.So when the fuel cell stack 12 is attached to a vehicle, the first sealing structure is 50 in reliable contact with the sealing surface, absorbing vibrations while the vehicle is running and shocks during sudden braking and sudden acceleration.
    [0057] Ferner enthält in der vorliegenden Ausführung, wiez.B. in 3 gezeigt, dieerste Dichtungsstruktur 50 die Dichtungsverbindungen 54a bis 54h zurVerbindung der Dichtungselemente 52a bis 52g. In 4 liegt der Innenwinkel θ an derDichtungsverbindung 54a, der durch die Mittellinien derDichtungselemente 52a und 52b definiert ist, imBereich von 40° bis90°. DieDichtungsverbindung 54a enthält den gekrümmten Abschnitt, der mit demDichtungselement 52a und dem Dichtungselement 52b verbundenist. Der gekrümmteAbschnitt hat einen vorbestimmten Krümmungsradius R.Furthermore, in the present embodiment, such as in 3 shown the first sealing structure 50 the seal connections 54a to 54h for connecting the sealing elements 52a to 52g , In 4 the inside angle θ lies at the seal connection 54a by the center lines of the sealing elements 52a and 52b is defined in the range from 40 ° to 90 °. The seal connection 54a contains the curved section that connects with the sealing element 52a and the sealing element 52b connected is. The curved section has a predetermined radius of curvature R.
    [0058] Es wurde ein Experiment ausgeführt, indem der Innenwinkel θ ander Dichtungsverbindung verändertwurde, um eine Beziehung zwischen dem Oberflächendruck, der auf einen geradenAbschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird, und dem auf die DichtungsverbindungausgeübtenOberflächendruckzu bestimmen. Die Ergebnisse (drei Linien mit den Winkeln 30°, 60° und 90°) des Experimentssind in 6 gezeigt. Bevorzugtist, wenn der Druck, der auf den geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wird,und der auf die Dichtungsverbindung ausgeübte Druck gleich sind, d.h.die Differenz zwischen den Oberflächendrücken 0 ist, wie mit der geradenLinie L angegeben. Die von der Linie L abweichende Linie ist nichtbevorzugt, da die Differenz zwischen dem Oberflächendruck, der auf den geraden Abschnittdes Dichtungselements ausgeübtwird, und dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck groß ist. Insbesondereist die Differenz zwischen den Oberflächendrücken beträchtlich groß, wenn der Innenwinkel θ 30° beträgt.An experiment was carried out in which the inside angle θ at the seal joint was changed to determine a relationship between the surface pressure applied to a straight portion of the seal member and the surface pressure applied to the seal joint. The results (three lines with the angles 30 °, 60 ° and 90 °) of the experiment are in 6 shown. It is preferred if the pressure exerted on the straight section of the sealing element and the pressure exerted on the sealing connection are the same, ie the difference between the surface pressures is 0, as indicated by the straight line L. The line deviating from the line L is not preferred since the difference between the surface pressure exerted on the straight portion of the sealing member and the surface pressure exerted on the sealing joint is large. In particular, the difference between the surface pressures is considerably large when the inside angle θ is 30 °.
    [0059] Der Innenwinkel θ sollte in der Nähe von 90° liegen.Bevorzugt liegt der Innenwinkel θ indem Bereich von 60° bis90°, umeine Zunahme des auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruckszu verhindern. Wenn der Innenwinkel θ im Bereich von 60° bis 90° liegt, liegtdie resultierende Linie ziemlich nahe an der Linie L, und die Differenzzwischen den Oberflächendrücken inder ersten Dichtungsstruktur 50 ist klein. Der Druck wirktgleichmäßig aufdie gesamte erste Dichtungsstruktur 50.The inside angle θ should be close to 90 °. The internal angle θ is preferably in the range from 60 ° to 90 ° in order to prevent an increase in the surface pressure exerted on the sealing connection. If the inside angle θ is in the range of 60 ° to 90 °, the resulting line is quite close to the line L, and the difference between the surface pressures in the first seal structure 50 is small. The pressure acts evenly on the entire first sealing structure 50 ,
    [0060] Wie in 7 gezeigt,nimmt der auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübte Oberflächendruck proportionalzur Dichtungsbreite W zu. Somit sollte die Dichtungsbreite W kleinsein, um den auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübten Oberflächendruckeffizient zu reduzieren.As in 7 shown, takes on the seal connection 54a exerted surface pressure proportional to the seal width W. Thus, the seal width W should be small by the amount of the seal connection 54a efficiently reduce the surface pressure applied.
    [0061] Ferner wurde der Zunahmebetrag desauf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübten Oberflächendrucks bei verschiedenenKrümmungsradienR an der Dichtungsverbindung 54a gemessen. Das Ergebnisist in 8 gezeigt. ZuVergleichszwecken wurde der Zunahmebetrag des Oberflächendrucks unterunterschiedlichen Bedingungen gemessen, (1) einem Innenwinkel von30° undeinem KrümmungsradiusR von 4,0 mm (4R), (2) bei einem Innenwinkel von 90° und einemKrümmungsradiusR von 4,0 mm (4R), (3) bei einem Innenwinkel von 90° und einem KrümmungsradiusR von 6,0 mm (6R) sowie (4) bei einem Innenwinkel von 90° und einemKrümmungsradiusR von 8,5 mm (8,5R). Bevorzugt war bei dem Experiment der KrümmungsradiusR 6,0 mm oder größer undlag bevorzugt im Bereich von 6,0 mm bis 9,0 mm, um die Zunahme desauf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendrucks zu senken, im Gegensatzzu der Zunahme des Oberflächendrucks,der auf den geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübt wurde.Furthermore, the amount of increase on the seal joint 54a applied surface pressure at different radii of curvature R on the seal connection 54a measured. The result is in 8th shown. For comparison purposes, the amount of increase in surface pressure was measured under different conditions, (1) an inside angle of 30 ° and a radius of curvature R of 4.0 mm (4R), (2) at an inside angle of 90 ° and a radius of curvature R of 4.0 mm (4R), (3) with an inside angle of 90 ° and a radius of curvature R of 6.0 mm (6R) and (4) with an inside angle of 90 ° and a radius of curvature R of 8.5 mm (8.5R) , In the experiment, the radius of curvature R was preferred to be 6.0 mm or greater and was preferably in the range from 6.0 mm to 9.0 mm in order to reduce the increase in the surface pressure exerted on the sealing connection, in contrast to the increase in the surface pressure. which was exerted on the straight section of the sealing element.
    [0062] Wenn der Krümmungsradius R im Bereich von6,0 mm bis 9,0 mm liegt, wird eine übermäßige Spannungskonzentrationan der Dichtungsverbindung 54a effizient verhindert, undist die Differenz zwischen dem auf die Dichtungsverbindung 54a ausgeübten Oberflächendruckund dem geraden Abschnitt des Dichtungselements klein.If the radius of curvature R is in the range of 6.0 mm to 9.0 mm, there will be an excessive stress concentration at the seal joint 54a prevents efficiently, and is the difference between that on the seal connection 54a exerted surface pressure and the straight section of the sealing element small.
    [0063] 9 isteine Graphik, die den maximalen Innendruck der ersten Dichtungsstruktur 50 bei Änderungdes KrümmungsradiusR zeigt. Der maximale Innendruck bedeutet hier einen kritischenDruck, der eine Fluidleckage durch die erste Dichtungsstruktur 50 hindurchhervorrufen kann. 9 is a graph showing the maximum internal pressure of the first seal structure 50 when changing the radius of curvature R shows. The maximum internal pressure here means a critical pressure that causes fluid leakage through the first sealing structure 50 can cause through.
    [0064] Wenn, wie in 9 gezeigt, der Krümmungsradius R größer als6,0 mm ist, ist der maximale Innendruck der ersten Dichtungsstruktur 60 ziemlichhoch.If, as in 9 shown, the radius of curvature R is greater than 6.0 mm, is the maximum internal pressure of the first sealing structure 60 quite high.
    [0065] Daher kann die gewünschte Dichtleitungerreicht werden. In der ersten Dichtungsstruktur 50 steigtder Oberflächendruckoder der Liniendruck örtlichnicht an. Mit der zuverlässigenDichtfunktion kann eine gewünschteStromerzeugungsleistung erreicht werden.The desired sealing line can therefore be achieved. In the first sealing structure 50 the surface pressure or the line pressure does not increase locally. A desired power generation performance can be achieved with the reliable sealing function.
    [0066] In der vorliegenden Ausführung sindzwei Dichtungselemente 52a, 52b mit der Dichtungsverbindung 54a verbunden.Alternativ könnenverschiedene Modifikationen vorgenommen werden. In alternativenAusführungenkönnendrei oder mehr Dichtungselemente mit der Dichtungsverbindung 54a verbundensein, während ähnlicheVorteile erreicht werden.In the present embodiment there are two sealing elements 52a . 52b with the seal connection 54a connected. Alternatively, various modifications can be made. In alternative designs, three or more sealing elements can be connected to the seal 54a connected while achieving similar benefits.
    [0067] Erfindungsgemäß liegt der Innenwinkel, der durchdie Mittellinien der Dichtungselemente definiert ist, im Bereichvon 40° bis90°. Mitdieser Struktur steigt der auf die Dichtungsverbindung ausgeübte Oberflächendrucknicht übermäßig an,wenn die Dichtungselemente zusammengedrückt werden. Ferner weist dieDichtungsverbindung einen gekrümmtenAbschnitt auf, der mit den Dichtungselementen verbunden ist. Somitkommt es zu keiner Spannungskonzentration an der Dichtungsverbindung,und ist die Differenz zwischen dem auf die Dichtungsverbindung ausgeübten Oberflächendruck unddem auf den geraden Abschnitt des Dichtungselements ausgeübten Oberflächendruckklein.According to the invention, the inside angle lies throughthe center lines of the sealing elements is defined in the areafrom 40 ° to90 °. WithThis structure increases the surface pressure exerted on the seal connectionnot overly,when the sealing elements are pressed together. Furthermore, theSealing connection a curvedSection that is connected to the sealing elements. Consequentlythere is no stress concentration at the seal connection,and is the difference between the surface pressure andthe surface pressure exerted on the straight section of the sealing elementsmall.
    [0068] Demzufolge werden ungewünschte Wechselwirkungenzwischen den Dichtungselementen verhindert und steigt der Oberflächendruckoder der Liniendruck örtlichnicht an. Die Dichtleistung kann zuverlässig beibehalten werden, undes kann die gewünschteStromerzeugungsleistung erreicht werden.As a result, undesirable interactionsbetween the sealing elements prevents and increases the surface pressureor the line print locallynot at. The sealing performance can be reliably maintained, andit can be the one you wantPower generation performance can be achieved.
    [0069] Eine erfindungsgemäße ersteDichtungsstruktur 50 enthält eine Dichtungsverbindung 54a undDichtungselemente 52a, 52b, die an der Dichtungsverbindung 54a verbundensind. Ein Innenwinkel θ ander Dichtungsverbindung 54a, definiert durch die Mittelliniender Dichtungselemente 52a, 52b, liegt im Bereichvon 40° bis90°. DieDichtungsverbindung 54a enthält einen gekrümmten Abschnittmit einem vorbestimmten KrümmungsradiusR zum Verbinden der Dichtungselemente 52a, 52b.A first sealing structure according to the invention 50 contains a seal connection 54a and sealing elements 52a . 52b attached to the seal connection 54a are connected. An inside angle θ at the seal joint 54a , defined by the center lines of the sealing elements 52a . 52b , is in the range from 40 ° to 90 °. The seal connection 54a includes a curved portion with a predetermined radius of curvature R for connecting the sealing elements 52a . 52b ,
    权利要求:
    Claims (7)
    [1]
    Brennstoffzelle, umfassend: eine Elektrolytelektrodenanordnung(16), die ein Paar von Elektroden (38, 40)und ein zwischen den Elektroden (38, 40) angeordnetesElektrolyt (36) enthält;und ein Paar von Separatoren (18, 20), umdie Elektrolytelektrodenanordnung (16) zwischen sich aufzunehmen, worineine Reaktionsgaszuführleitung(30a) und eine Reaktionsgasabführleitung (30b) sichin einer Stapelrichtung der Brennstoffzelle durch die Brennstoffzelle hindurcherstrecken; ein Reaktionsgasströmungsfeld (42) zwischender Reaktionsgaszuführleitung(30a) und der Reaktionsgasabführleitung (30b) aufdem Separator (18) entlang der Oberfläche der Elektrode (40)angeschlossen ist; eine Dichtungsstruktur (50) zwischender Elektrolytelektrodenanordnung (16) und dem Separator(18) um die Elektrode (40) und/oder die Reaktionsgaszuführleitung(30a) und/oder die Reaktionsgasabführleitung (30b) vorgesehenist; wobei die Dichtungsstruktur (50) eine Dichtungsverbindung(54a) enthältund zumindest erste und zweite Dichtungselemente (52a, 52b)mit der Dichtungsverbindung (54a) verbunden sind; wobeiein Innenwinkel der Dichtungsverbindung (54a), der durchdie Mittellinien der ersten und zweiten Dichtungselemente (52a, 52b)definiert ist, im Bereich von 40° bis90° liegt;und wobei die Dichtungsverbindung (54a) einen gekrümmten Abschnittzur Verbindung der ersten und zweiten Dichtungselemente (52a, 52b)aufweist.A fuel cell comprising: an electrolyte electrode assembly ( 16 ) which are a pair of electrodes ( 38 . 40 ) and one between the electrodes ( 38 . 40 ) arranged electrolyte ( 36 ) contains; and a pair of separators ( 18 . 20 ) to the electrolyte electrode assembly ( 16 ) between them, in which a reaction gas supply line ( 30a ) and a reaction gas discharge line ( 30b ) extend through the fuel cell in a stacking direction of the fuel cell; a reaction gas flow field ( 42 ) between the reaction gas supply line ( 30a ) and the reaction gas discharge line ( 30b ) on the separator ( 18 ) along the surface of the electrode ( 40 ) connected; a sealing structure ( 50 ) between the electrolyte electrode arrangement ( 16 ) and the separator ( 18 ) around the electrode ( 40 ) and / or the reaction gas supply line ( 30a ) and / or the reaction gas discharge line ( 30b ) is provided; the sealing structure ( 50 ) a seal connection ( 54a ) contains and at least first and second sealing elements ( 52a . 52b ) with the seal connection ( 54a ) are connected; an inside angle of the seal connection ( 54a ) which is defined by the center lines of the first and second sealing elements ( 52a . 52b ) is in the range of 40 ° to 90 °; and wherein the seal connection ( 54a ) a ge curved section for connecting the first and second sealing elements ( 52a . 52b ) having.
    [2]
    Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der gekrümmteAbschnitt der Dichtungsverbindung (54a) einen Krümmungsradius imBereich von 6,0 mm bis 9,0 mm aufweist.Fuel cell according to claim 1, characterized in that the curved section of the sealing connection ( 54a ) has a radius of curvature in the range of 6.0 mm to 9.0 mm.
    [3]
    Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass ein Abschnitt des mit der Dichtungsverbindung (54a)verbundenen zweiten Dichtungselements (52b) und das ersteDichtungselement (52a) im Wesentlichen die gleiche Dichtungsbreitehaben.Fuel cell according to claim 1 or 2, characterized in that a section of the seal connection ( 54a ) connected second sealing element ( 52b ) and the first sealing element ( 52a ) have essentially the same seal width.
    [4]
    Brennstoffzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurchgekennzeichnet, dass die Dichtungsstruktur (50) enthält: einenBasisabschnitt (56), der integral an dem Separator (18)vorgesehen ist; einen Säulenabschnitt(58), der mit einem vorbestimmten Einzugswinkel von demBasisabschnitt (56) vorsteht; und einen gekrümmten Randabschnitt(60), der an dem Säulenabschnitt(58) vorgesehen ist und einen vorbestimmten Krümmungsradiusaufweist.Fuel cell according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the sealing structure ( 50 ) contains: a base section ( 56 ) which is integral to the separator ( 18 ) is provided; a column section ( 58 ) which is at a predetermined retraction angle from the base section ( 56 ) protrudes; and a curved edge section ( 60 ) on the column section ( 58 ) is provided and has a predetermined radius of curvature.
    [5]
    Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass der vorbestimmte Krümmungsradiusdes gekrümmtenRandabschnitts (60) im Bereich von 1,0 mm bis 3,0 mm liegt.Fuel cell according to claim 4, characterized in that the predetermined radius of curvature of the curved edge portion ( 60 ) is in the range of 1.0 mm to 3.0 mm.
    [6]
    Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass der vorbestimmte Einzugswinkel des Säulenabschnitts (58)im Bereich von 0° bis1° liegt.Fuel cell according to claim 4, characterized in that the predetermined retraction angle of the column section ( 58 ) is in the range of 0 ° to 1 °.
    [7]
    Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Dichtungsstruktur (50) enthält: ein drittes Dichtungselement(52f), das benachbart der Reaktionsgaszuführleitung(30a) und/oder der Reaktionsgasabführleitung (30b) zumFührender Reaktionsgasströmungvorgesehen ist; und eine andere Dichtungsverbindung (54h)zum Verbinden des ersten Dichtungselements (52a) mit dem drittenDichtungselement (52f).Fuel cell according to claim 1, characterized in that the sealing structure ( 50 ) contains: a third sealing element ( 52f ), which is adjacent to the reaction gas supply line ( 30a ) and / or the reaction gas discharge line ( 30b ) is provided for guiding the reaction gas flow; and another seal connection ( 54h ) for connecting the first sealing element ( 52a ) with the third sealing element ( 52f ).
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    CA2456245C|2009-06-09|
    DE102004004071B4|2013-02-28|
    JP4505188B2|2010-07-21|
    JP2004235031A|2004-08-19|
    CA2456245A1|2004-07-30|
    US20040185322A1|2004-09-23|
    US7351490B2|2008-04-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-08-12| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
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