DE112006000193B4

DE112006000193B4 - Brennstoffzelle, Separator und Gasseparator für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006000193B4
Application number: DE112006000193.0T
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Yamamoto; Yuichi Yagami; Jiro Aizaki; Junichi Shirahama; Sogo Goto; Tsuyoshi Takahashi; Tomokazu Hayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: CA2585648A1; CN100541891C; CA2585648C; RU2353022C1; CN101103480A; US8557448B2; WO2006075786A1; DE112006000193T5; BRPI0606538A2; JP4039459B2; US20070298308A1; JPWO2006075786A1

Abstract

Brennstoffzelle, die folgende Merkmale aufweist:eine Elektrolytanordnung; undeinen Separator, der eine Fläche als eine einen Gasströmungsweg bildenden Fläche mit einem darauf ausgebildeten Gasströmungsweg aufweist, und die andere Fläche, die zu der einen Fläche umgekehrt ist, als eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mit einem darauf ausgebildeten Kühlmittelströmungsweg aufweist,wobei die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere lineare Gasströmungswege aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur, die die mehreren linearen Gasströmungswege in mehrere lineare Gasströmungsweggruppen unterteilt und zumindest einen Teil der mehreren linearen Gasströmungsweggruppen seriell verbindet, undwobei die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mehrere lineare Kühlmittelströmungswege aufweist, die als eine umgekehrte Struktur der mehreren linearen Gasströmungswege auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind, und eine Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur, die als eine umgekehrte Struktur der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet ist, um die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege parallel zu verbinden undwobei die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur einen Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) aufweist, um die mehreren linearen Gasströmungswege in die mehrzahligen linearen Gasströmungsweggruppen zu unterteilen, undwobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er einen höheren Kontaktdruck gegen die Elektrolytanordnung aufweist als eine ein Kontaktdruck der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege, undwobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er eine größere Höhe als eine Höhe der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) in einer Stapelungsrichtung der Elektrolytanordnung und des Separators aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau einer Brennstoffzelle und den Aufbau eines Separators und eines Gasseparators für eine Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
Separatoren für Brennstoffzellen (Brennstoffzellenseparatoren) können durch Pressformen hergestellt werden. Bei einem Vorschlag für eine Technik wird beispielsweise auf einen jeweiligen Brennstoffzellenseparator eine entsprechende konkav-konvexe Struktur pressgeformt.
Bei dem Verfahren zum Pressformen eines Brennstoffzellenseparators wird die konkav-konvexe Struktur des Separators bestimmt, indem der Form von nur einer Fläche des Separators Beachtung geschenkt wird, z. B. zur Bildung eines Reaktionsgas-Strömungswegs oder zur Bildung eines Kühlmittelströmungswegs, und der Form der anderen Fläche, die als Rückseite des konkav-konvexen Aufbaus ausgebildet ist, wird im Besonderen keine Beachtung geschenkt. Dies wird dem Unterschied zwischen den erforderlichen Eigenschaften und Charakteristika für den Reaktionsgas-Strömungsweg und jenen für den Kühlmittelströmungsweg zugeschrieben. Das bekannten Pressformverfahren erfordert somit die Herstellung von unterschiedlichen Separatoren für den Reaktionsgas-Strömungsweg und für den Kühlmittelströmungsweg. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist die verminderte elektrische Leitfähigkeit und die verminderte Wärmeleitfähigkeit.
Zum technischen Hintergrund in Bezug auf Brennstoffzellen und Separatoren für Brennstoffzellen wird auf die DE 102 53 002 A1 , die DE 10 2004 021 253 A1 , die US 5 998 055 A sowie die JP 2003 - 142 126 A verwiesen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik aufzuheben und eine Brennstoffzelle zu schaffen, die einen Separator aufweist, bei dem Strömungswege auf den beiden Flächen gebildet sind. Zudem sollen ein Separator und ein Gasseparator für eine Brennstoffzelle geschaffen werden.
Um zumindest einen Teil der vorstehenden und anderen verwandten Aufgaben zu lösen, ist die vorliegende Erfindung auf eine erste Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gerichtet, die eine Elektrolytanordnung, und einen Separator aufweist, der eine Fläche als eine Gasströmungsweg bildende Fläche mit einem darauf ausgebildeten Gasströmungsweg aufweist, und die andere Fläche, die zu der einen Fläche umgekehrt ist, als eine Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mit einem darauf ausgebildeten Kühlmittelströmungsweg aufweist.
Die Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators weist mehrere lineare Gasströmungswege auf, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur, die die mehreren linearen Gasströmungswege in mehrere lineare Gasströmungsweggruppen unterteilt und zumindest einen Teil der mehreren linearen Gasströmungsweggruppen seriell verbindet. Die Kühlmittelströmungsweg ausbildende Fläche weist mehrere lineare Kühlmittelströmungswege auf, die als eine umgekehrte Struktur der mehreren linearen Gasströmungswege auf der Gasströmungsweg ausbildenden Fläche ausgebildet sind, und eine Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur, die als eine umgekehrte Struktur der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet ist, um die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege parallel zu verbinden. Die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur weist einen Gasströmungsweg-Teilungsträger auf, um die mehreren linearen Gasströmungswege in die mehrzahligen linearen Gasströmungsweggruppen zu unterteilen. Der Gasströmungsweg-Teilungsträger ist in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt, dass er einen höheren Kontaktdruck gegen die Elektrolytanordnung aufweist als eine ein Kontaktdruck der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege. Der Gasströmungsweg-Teilungsträger ist in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt, dass er eine größere Höhe als eine Höhe der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger in einer Stapelungsrichtung der Elektrolytanordnung und des Separators aufweist.
Der erfindungsgemäße Separator weist die Gasströmungsweg bildende Fläche für die Strömung des Reaktionsgases und die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche für die Strömung des Kühlmittels als rückseitige Struktur auf seinen beiden Flächen auf. Die mehreren linearen Gasströmungswege sind auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators seriell verbunden, während die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege auf der Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche des Separators parallel verbunden sind.
Ein typisches Beispiel für die Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur beinhaltet ein Kühlmittelströmungsweg-Verteiler, das sich auf der Seite stromauf der mehreren linearen Kühlmittelströmungswege befindet, und ein Kühlmittelströmungsweg-Zusammenführungselement, das sich auf der stromabwärtigen Seite der mehreren linearen Kühlmittelströmungswege befindet. Der Kühlmittelströmungsweg-Verteiler verteilt das Kühlmittel in die jeweiligen linearen Kühlmittelströmungswege, und das Kühlmittelströmungsweg-Zusammenführungselement führt die individuellen Strömungen des Kühlmittels von den jeweiligen linearen Kühlmittelströmungswegen zusammen. Bei einem bevorzugten Beispiel weist die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere lineare Kühlmittelströmungswege auf, die als eine rückseitige Struktur der mehreren, linearen Kühlmittelströmungswege auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind, ein Kühlmittelströmungsweg-Verteiler, das als eine rückseitige Struktur der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur an einem Einlass des Kühlmittelströmung ausgebildet ist, um das Kühlmittel in die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege zu verteilen, und ein Kühlmittelströmungsweg-Zusammenführungselement, das als eine rückseitige Struktur der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur an einem Auslass der Kühlmittelströmung ausgebildet ist, um die individuellen Strömungen des Kühlmittels von den mehreren linearen Kühlmittelströmungswegen zusammenzuführen.
Der Separator der Erfindung weist die Gasströmungsweg bildende Fläche und die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche als zueinander umgekehrte Strukturen auf, die auf seinen beiden Flächen ausgebildet sind. Diese Anordnung ergibt die Gasströmungswege, die seriell verbunden sind, um den langen Gasströmungsweg und die kurzen Kühlmittelströmungswege zu bilden, die parallel verbunden sind. Der zweiseitige Separator mit hohen Formbarkeitseigenschaften bildet gleichzeitig den eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Gasströmungsweg und den einen geringen Druckverlust aufweisenden Kühlmittelströmungsweg aus.
Diese Anordnung verhindert zudem in wünschenswerter Weise eine Leckströmung der Gasströmung entlang einer Gasdiffusionsschicht der Elektrolytanordnung auf. Zum Erreichen des höheren Kontaktdrucks des Gasströmungsweg-Teilungsträgers ist der Gasströmungsweg-Teilungsträger in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt, dass er eine größere Höhe als eine Höhe der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger in einer Schichtungs- bzw. Stapelrichtung der Elektrolytanordnung und des Separators aufweist.
Die Terminologie „parallel zu“ bedeutet, dass das Reaktionsgas und das Kühlmittel in der gleichen Richtung oder der umgekehrten Richtung strömen. Die parallelen Strömungen des Reaktionsgases und des Kühlmittels umfassen gekrümmte oder gebogene Parallelströmungen sowie gerade Parallelströmungen.
Bei dem Separator mit den zueinander umgekehrten Strukturen auf seinen beiden Flächen kann es sich um eine pressgeformte Blechplatte oder eine pressgeformte Nichtmetallplatte aus einem geeigneten Nichtmetallmaterial wie flexiblem Karbon handeln. Die zueinander umgekehrten Strukturen stellen die im Wesentlichen einheitliche Wanddicke sicher. Der Separator dieser Struktur kann somit bei guter Bearbeitbarkeit durch ein beliebiges anderes Verfahren sowie durch das Pressformverfahren hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf beide Separatoren mit externen Verteilern und Separatoren mit internen Verteilern anwendbar.
In der ersten Brennstoffzelle der Erfindung kann die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur eine konkav-konvexe Form aufweisen, die von den mehreren linearen Gasströmungswegen getrennt ist und mit der Elektrolytanordnung in Kontakt ist.
Die Strömungskanal-Querschnittsfläche der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur befindet sich dann nahe der Strömungskanal-Querschnittsfläche der mehreren linearen Gasströmungswege. Diese Anordnung verhindert vorteilhafterweise eine Kondensation des Wassergehalts in dem Reaktionsgas aufgrund eines Druckanstiegs, der durch eine abrupte Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ausgelöst wird. Bei der konkav-konvexen Form ist die Oberseite in Kontakt mit der Elektrolytanordnung, wodurch Festigkeit, Steifigkeit und elektrische Leitfähigkeit in der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur des Separators verbessert wird.
Bei der ersten Brennstoffzelle der Erfindung kann die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur alle der mehreren, linearen Gasströmungsweggruppen seriell verbinden. Diese Anordnung ergibt einen Gasströmungsweg mit einer Serpentinenstruktur.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der ersten Brennstoffzelle der Erfindung weist die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur den Gasströmungsweg-Teilungsträger auf. Der Gasströmungsweg-Teilungsträger ist bei zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt, dass er eine größere Kontaktbreite in Kontakt mit der Elektrolytanordnung als eine Kontaktbreite von linearen Gasströmungsweg bildenden Trägern zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege aufweist. Die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators weist einen spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg auf, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers ausgebildet ist. Die Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur weist ein Strömungsraten-Steuerungselement auf, das so ausgelegt ist, dass es eine Strömungsrate des Kühlmittels, das man in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömen lässt, einschränkt, so dass sie einer Strömungsrate des Kühlmittels nahe kommt, das man in den mehreren linearen Kühlmittelströmungswegen strömen lässt.
Bei der ersten Brennstoffzelle diese Struktur befindet sich die Kühlleistung der mehreren linearen Kühlmittelströmungswege nahe der Kühlleistung des spezifischen linearen Kühlmittelströmungswegs. Diese Anordnung reduziert wünschenswerterweise eine Temperaturvariation im Inneren der Brennstoffzelle.
Bei der ersten Brennstoffzelle dieser Ausführungsform kann das Strömungsraten-Steuerungselement der Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur außerhalb des spezifischen linearen Kühlmittelströmungswegs ein Wehr aufweisen, um die Strömungsrate des Kühlmittels, das man in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömen lässt, einzuschränken.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der ersten Brennstoffzelle der Erfindung weist die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur den Gasströmungsweg-Teilungsträger auf. Der Gasströmungsweg-Teilungsträger ist zumindest in der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt, dass er eine größere Kontaktbreite in Kontakt mit der Elektrolytanordnung aufweist als eine Kontaktbreite von linearen Gasströmungsweg bildenden Trägern zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege. Die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators weist einen spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg auf, der als Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers ausgebildet ist. Der spezifische lineare Kühlmittelströmungsweg ist so ausgelegt, dass er eine Strömungsrate des Kühlmittels einschränkt, das man in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömen lässt, so dass einer Strömungsrate des Kühlmittels nahe ist, das man in die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege strömen lässt.
Bei der ersten Brennstoffzelle dieser Ausführungsform kann der Separator ein Strömungsraten-Steuerungselement aufweisen, das an der Innenwand des spezifischen linearen Kühlmittelströmungswegs angebracht ist, um die Strömungsrate des Kühlmittels einzuschränken, das man in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömen lässt. Der Separator kann ansonsten eine hervortretende Struktur aufweisen, die auf der Innenwand des spezifischen linearen Kühlmittelströmungswegs ausgebildet ist, um den Strömungswiderstand zu erhöhen.
Bei der ersten Brennstoffzelle der Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur ein Gleichrichtungselement bzw. Gleichrichterelement aufweist, um eine Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases, das man in die mehreren linearen Gasströmungswege strömen lässt, näherungsweise anzugleichen.
Durch diese Anordnung wird eine Kondensation des Reaktionsgases aufgrund einer Einbehaltung des Reaktionsgases oder eines partiellen Druckanstiegs wirksam verhindert. Die im Wesentlichen einheitliche Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases in der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur trägt zur Verbesserung der Leistungserzeugungseffizienz in der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur bei.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann der Separator aus Metall gefertigt sein.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann der Separator eine pressgeformtes Platte aus Blech sein.
Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist ein Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 11
Ein Gasseparator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 12 weist folgende Merkmale auf: eine leitfähige Basisplatte; eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators, die auf einer Fläche der leitfähigen Basisplatte ausgebildet ist, um einen Teil an einer Innenwand eines Reaktionsgas-Strömungswegs zu definieren, um eine Strömung eines Reaktionsgases zu ermöglichen; eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche, die auf der anderen Fläche der leitfähigen Basisplatte als Umkehrung der einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators ausgebildet ist, um einen Teil einer Innenwand eines Kühlmittelströmungswegs zu definieren, um eine Strömung eines Kühlmittels zu ermöglichen, und zumindest ein Gasströmungsweg-Teilungsträger, der auf der einen Fläche der leitfähigen Basisplatte vorgesehen ist, um sich durch einen Leistungserzeugungsbereich mit der darauf ausgebildeten, einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators zu erstrecken und um einen Teil der Innenwand des Reaktionsgas-Strömungswegs zu definieren.
Der Gasströmungsweg-Teilungsträger weist ein Ende auf, das sich in Richtung einer ersten Position am Umfang des Leistungserzeugungsbereichs erstreckt, und ein anderes Ende aufweist, das sich von einer zweiten Position am Umfang des Leistungserzeugungsbereichs entfernt befindet, die sich von der ersten Position unterscheidet. Der Gasströmungsweg-Teilungsträger unterteilt den Leistungserzeugungsbereich in mehrere Unterteilungsbereiche und verbindet die mehreren Unterteilungsbereiche des Leistungserzeugungsbereichs seriell über einen Zusammenführungsbereich, der einen ersten Raum zwischen dem anderen Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs umfasst.
Die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators weist mehrere einen linearen Gasströmungsweg bildende Träger auf, die in den mehreren Unterteilungsbereichen auf der einen Fläche der leitfähigen Basisplatte ausgebildet sind und entlang mehrerer erster Leitungen mit jeweils zwei Enden entfernt vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs angeordnet sind, um im Wesentlichen parallel zum Gasströmungsweg-Teilungsträger zu sein. Die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche weist ein Kühlmittelströmungskonvex auf, das auf der anderen Fläche der leitfähigen Basisplatte als umgekehrte Struktur eines Konkavs ausgebildet ist, das durch den Gasströmungsweg-Teilungsträger und einen der mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger definiert ist und entlang einer zweiten Leitung mit zwei Enden entfernt vom Umfang eines rückseitigen Bereichs angeordnet ist, der dem Leistungserzeugungsbereich entspricht, um im Wesentlichen parallel zum einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger zu sein, wobei der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger eine größere Höhe in einer Dickenrichtung des Gasseparators im Vergleich zu anderen Konvexen aufweist, die in der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators beinhaltet sind.
Der erfindungsgemäße Gasseparator beinhaltet die leitfähige Basisplatte mit der einen Gasströmungsweg bildende Fläche und der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche, die auf seinen beiden Flächen als zueinander umgekehrte Formen ausgebildet sind. Eine Fläche der leitfähigen Basisplatte bildet den serpentinenartigen Gasströmungsweg einschließlich der mehreren Unterteilungsbereiche aus, die über den Zusammenführungsbereich seriell verbunden sind. Ein jeder der mehreren Unterteilungsbereiche ermöglicht die Strömung des Reaktionsgases parallel zum Gasströmungsweg-Teilungsträger, und der Zusammenführungsbereich kehrt die Strömungsrichtung des Reaktionsgases um. Die andere Fläche der leitfähigen Basisplatte bildet den Kühlmittelströmungsweg aus, der die Strömung des Kühlmittels parallel zu den mehreren Unterteilungsbereichen ermöglicht. Diese Anordnung bildet gleichzeitig den Strömungsweg des Reaktionsgases mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsweg des Kühlmittels mit dem geringen Druckverlust als die zueinander umgekehrten Strukturen auf den beiden Flächen der leitfähigen Basisplatte als den Gasseparator aus. Der Begriff „zueinander umgekehrte Strukturen“ bedeutet, dass die Form eines jeweiligen Konvexes, das auf einer Fläche ausgebildet ist, der Form eines Konkavs entspricht, das auf der anderen Fläche ausgebildet ist, und dass die Form eines jeweiligen Konkavs, das auf einer Fläche ausgebildet ist, der Form eines Konvexes entspricht, das auf der anderen Fläche ausgebildet ist.
Diese Anordnung erhöht zudem den Druck, der von dem Gasseparator auf ein benachbartes Element (d. h. eine Elektrolytanordnung, die ein Elektrolytmembran und ein Paar von Elektroden beinhaltet) in dem Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird, insbesondere in dem Bereich mit dem zumindest einen Teilungslinienkonvex, wodurch eine potentielle Leckströmung der Gasströmung zwischen den Unterteilungsbereichen effektiv verhindert wird.
Der erfindungsgemäße Gasseparator kann mehrere Gasströmungsweg-Teilungsträgeraufweist. Die mehreren Gasströmungsweg-Teilungsträgerunterteilen den Leistungserzeugungsbereich in mehrere Unterteilungsbereiche und verbinden seriell die mehreren Unterteilungsbereiche über Zusammenführungsbereiche. Die mehreren Gasströmungsweg-Teilungsträgersind parallel zueinander ausgebildet und sind nacheinander in der Richtung senkrecht zur Längsachse der Gasströmungsweg-Teilungsträgerangeordnet, um die Richtung der verlängerten Enden der Gasströmungsweg- Teilungsträgerin Richtung des Umfangs des Leistungserzeugungsbereichs zu ändern.
Bei dem erfindungsgemäßen Gasseparator kann der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger einstückig mit der einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators und der einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche auf der leitfähigen Basisplatte als ein Konvex ausgebildet sein, das ein Konkav als seine rückseitige Form definiert.
Im erfindungsgemäßen Gasseparator ist der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger getrennt von der leitfähigen Basisplatte ausgebildet und auf der einen Fläche der leitfähigen Basisplatte angeordnet.
Der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger , der separat von der leitfähigen Basisplatte ausgebildet ist, kann aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein.
Diese Anordnung verhindert wünschenswerter Weise einen Anstieg eines Innenwiderstands der Brennstoffzelle und stellt eine ausreichende Zellenleistung sicher.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasseparators erstreckt sich jeder der mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger kontinuierlich zwischen den beiden Enden der ersten Linie.
Diese Anordnung erhöht wünschenswerter Weise die Kontaktfläche des Separators mit einem benachbarten Element, um den Innenwiderstand der Brennstoffzelle zu reduzieren, während ein Ablaufen im Reaktionsgas-Strömungsweg verbessert wird, bei dem ein Teil seiner Innenwand durch den linearen Gasströmungsweg bildenden Träger definiert ist.
Bei einer bevorzugten Struktur des Gasseparators dieser Ausführungsform weist jedes der mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger eine Oberseite einer vorher festgelegten ersten Länge auf. Die mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger sind in den mehreren Unterteilungsbereichen in einem Intervall von einer vorher festgelegten Länge angeordnet, bei der es sich um einen Abstand der Oberseiten der benachbarten einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger handelt. Die mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger sind an Positionen von linearen Phantom-Gasströmungsweg bildenden Träger in einer Phantomstruktur angeordnet, die über die gesamte einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators ohne den den Gasströmungsweg-Teilungsträger regelmäßig im Intervall der vorher festgelegten zweiten Länge ausgebildet werden sollen.
Einheit-Brennstoffzellen werden zu einem Brennstoffzellenstapel mit einer angemessenen Positionierung der Gasseparatoren zusammengebaut und geschichtet. Selbst wenn die einander gegenüberliegenden Gasströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Gasseparatoren Gasströmungsweg-Teilungsträger an unterschiedlichen Positionen aufweisen, ermöglicht diese Anordnung, dass die Oberseiten der einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger, die auf den einander gegenüberliegenden Gasströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Gasseparatoren ausgebildet sind, an den entsprechenden überlappenden Positionen angeordnet werden und sich gegenseitig stützen können. Bei der Bildung des Kühlmittelströmungswegs durch die einander gegenüberliegenden Kühlmittelströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Gasseparatoren gelangen die Kühlmittelströmungskonvexe, die auf den einander gegenüberliegenden Kühlmittelströmungsweg ausbildenden Flächen der Gasseparatoren als Rückseite der Konkaven zwischen den jeweils benachbarten einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger ausgebildet sind, miteinander in Kontakt. Diese Anordnung verbessert effektiv die Leistungserfassungseigenschaft, Stärke und Festigkeit des Brennstoffzellenstapels.
Bei dem Gasseparator dieser Struktur ist es wünschenswert, dass die Oberseite von dem zumindest einen Gasströmungsweg-Teilungsträgers eine Breite aufweist, die eine Oberseite eines linearen Phantom-Gasströmungsweg bildenden Trägers bedeckt, der anstelle des Gasströmungsweg-Teilungsträgers ausgebildet werden soll und zwischen einem existierenden Paar von benachbarten, linearen Gasströmungsweg bildenden Trägern angeordnet sein sollen, das entlang der Gasströmungsweg-Teilungsträger in der Phantomstruktur mit den linearen Phantom-Gasströmungsweg bildenden Trägernangeordnet ist, die regelmäßig in einem Intervall einer vorher festgelegten zweiten Länge über der gesamten ersten konkav-konvexen Struktur ohne das Gasströmungsweg-Teilungsträgerausgebildet sein sollen.
Die Einheit-Brennstoffzellen werden mit einer angemessenen Positionierung der Gasseparatoren zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengebaut und geschichtet bzw. gestapelt. Selbst wenn die einander gegenüberliegenden Gasströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Gasseparatoren Gasströmungsweg-Teilungsträger an unterschiedlichen Positionen aufweisen, ermöglicht diese Anordnung, dass die Oberseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers, das auf dem einen Separator ausgebildet ist, und die Oberseite des einen linearen Gasströmungsweg bildenden Trägers, das auf dem anderen Separator ausgebildet ist, an den entsprechenden überlappenden Positionen angeordnet sein können und sich gegenseitig stützen können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gasseparators der Erfindung ist das Kühlmittelströmungskonvex ein lineares Kühlmittelströmungskonvex, das sich kontinuierlich zwischen den beiden Enden der zweiten Leitung erstreckt.
Diese Anordnung erhöht wünschenswerter Weise die Kontaktfläche der Oberseiten der jeweiligen Kühlmittelströmungskonvexe, die auf den einander gegenüberliegenden Flächen von benachbarten Gasseparatoren in einer Schichtung bzw. Stapelung von Einheit-Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel gebildet sind, wodurch die Leistungserfassungseigenschaft, Festigkeit und Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels verbessert wird.
Bei noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Gasseparators der Erfindung weist die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere erste vorstehende Bereiche in dem Zusammenführungsbereich auf, der einen zweiten Raum zwischen einem Ende der einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger, die auf der ersten Leitung ausgebildet ist, und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs beinhaltet. Die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche weist mehrere zweite vorstehende Bereiche auf, die an Positionen ausgebildet sind, die mit den mehreren ersten vorstehenden Bereichen in einem rückseitigen Bereich nicht interferieren, der rückseitig zum Zusammenfügungsbereich ist und einen dritten Raum zwischen einem Ende des Kühlmittelströmungskonvexes, das auf der zweiten Leitung ausgebildet ist, und dem Umfang des rückseitigen Bereichs beinhaltet.
Die Verwendung des Gasseparators mit den zueinander umgekehrten Strukturen auf seinen beiden Flächen verbessert wünschenswerter Weise die Strömungsverteilung des Reaktionsgases in den Reaktionsgas-Strömungsweg, der auf einer Fläche des Gasseparators ausgebildet ist (d. h., die Einheitlichkeit der Verteilung der Reaktionsgasströmung über dem gesamten Reaktionsgas-Strömungsweg) sowie die Strömungsverteilung des Kühlmittels in den Kühlmittelströmungsweg, der auf der anderen Fläche des Gasseparators ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine zweite Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gerichtet, die folgende Merkmale aufweist: eine Elektrolytanordnung einschließlich einer Elektrolytmembran und einer Anode und einer Kathode, die auf zwei Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet ist; und ein Paar von erfindungsgemäßen Gasseparatoren mit einer beliebigen der vorstehenden Strukturen. Die Gasseparatoren sind entlang der Elektrolytanordnung als ein anodenseitiger Gasseparator und ein kathodenseitiger Gasseparator angeordnet, um einen Strömungsweg eines Brenngases, das der Anode zugeführt wird, und einen Strömungsweg eines Oxidationsgases, das der Kathode zugeführt werden soll, als Strömungswege des Reaktionsgase zu definieren.
Die zweite erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist die Effekte des erfindungsgemäßen Gasseparators auf, der vorstehend beschrieben ist.
Die vorliegende Erfindung ist weiter auf eine dritte Brennstoffzelle nach Anspruch 22 gerichtet, die als Schichtung bzw. Stapelung von mehreren Einheit-Brennstoffzellen erhalten wird.
Jede Einheit-Brennstoffzelle weist folgende Merkmale auf: eine Elektrolytanordnung, die eine Elektrolytmembran und eine Anode und eine Kathode aufweist, die auf zwei Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet sind; und ein Paar von erfindungsgemäßen Gasseparatoren mit den mehreren ersten vorstehenden Bereichen und den mehreren zweiten vorstehenden Bereichen. Die Gasseparatoren sind entlang der Elektrolytanordnung als ein anodenseitiger Gasseparator und ein kathodenseitiger Gasseparator angeordnet, um einen Strömungsweg eines Brenngases, das der Anode zugeführt werden soll, und einen Strömungsweg eines Oxidationsgases, das der Kathode zugeführt werden soll, als Strömungswege der Reaktionsgase zu definieren.
Die mehreren ersten vorstehenden Bereiche, die auf dem anodenseitigen Gasseparator ausgebildet sind, sind angeordnet, um die mehreren ersten vorstehenden Bereiche zu überlappen, die auf dem kathodenseitigen Gasseparator über der Elektrolytanordnung in einer jeweiligen Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind. Die mehreren zweiten vorstehenden Bereiche, die auf dem anodenseitigen Gasseparator in einer Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind, sind angeordnet, um mit den mehreren zweiten vorstehenden Bereichen in Kontakt zu gelangen, die auf dem kathodenseitigen Gasseparator in einer benachbarten Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind, der benachbart zu dem anodenseitigen Gasseparator in der einen Einheit-Brennstoffzelle ist.
Bei der dritten erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die ersten vorstehenden Bereiche, die auf dem anodenseitigen Gasseparator ausgebildet sind, so positioniert, dass sie die ersten vorstehenden Bereiche überlappen, die auf dem kathodenseitigen Gasseparator in jeder Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind. Die zweiten vorstehenden Bereiche, die auf dem anodenseitigen Gasseparator von einer Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind, sind so positioniert, dass sie mit den zweiten vorstehenden Bereichen in Kontakt sind, die auf dem kathodenseitigen Gasseparator einer benachbarten Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind. Diese Anordnung verbessert wirksam die Leistungserfassungseigenschaft, Festigkeit und Steifigkeit der Brennstoffzelle. Der gegenseitige Kontakt der zweiten vorstehenden Bereiche auf den einander gegenüberliegenden Flächen der benachbarten Gasseparatoren erhöht den Strömungskanalquerschnitt des Kühlmittelströmungswegs, der zwischen den benachbarten Gasseparatoren ausgebildet ist, wodurch der Druckverlust in dem Kühlmittelströmungsweg verringert wird.
In der erfindungsgemäßen zweiten Brennstoffzelle oder dritten Brennstoffzelle kann der anodenseitige Gasseparator eine größere Anzahl von Gasströmungsweg-Teilungsträgern als der kathodenseitige Gasseparator aufweisen.
Der Brenngas-Strömungsweg weist dementsprechend den geringeren Strömungskanalquerschnitt auf als der Oxidationsgas-Strömungsweg. Wenn die Strömungsrate des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, geringer ist als die Strömungsrate des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, erhöht diese Anordnung wünschenswerterweise die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases und verbessert dementsprechend die Leistung der Brennstoffzelle.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten Brennstoffzelle oder der dritten Brennstoffzelle der Erfindung sind die Gasströmungsweg-Teilungsträger in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung auf sowohl dem anodenseitigen Gasseparator als auch dem kathodenseitigen Gasseparator angeordnet. Man lässt das Brenngas von einem Brenngasströmungsweg, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf einer oberen Seite in einer vertikalen Richtung angeordnet ist, zu einem Brenngasströmungsweg strömen, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf einer unteren Seite in der vertikalen Richtung auf dem anodenseitigen Gasseparator angeordnet ist. Das Oxidationsgas lässt man von einem Oxidationsgas-Strömungsweg, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf der unteren Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist, zu einem Oxidationsgas-Strömungsweg, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf der oberen Seite in der vertikalen Richtung auf dem kathodenseitigen Gasseparator angeordnet ist, strömen.
Wenn die Strömungsrate des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, geringer ist als die Strömungsrate des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, nutzt die Brennstoffzelle dieser Ausführungsform die Wirkung der Schwerkraft für ein Abfließen im Brenngas-Strömungsweg mit der geringen Strömungsrate aus. Diese Anordnung verbessert den Gesamtabfluss in der gesamten Brennstoffzelle und verhindert eine Verschlechterung der Zellenleistung aufgrund einer Ansammlung von flüssigem Wasser.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der zweiten Brennstoffzelle oder dritten Brennstoffzelle der Erfindung verschmälern sich die mehreren Unterteilungsbereiche, die seriell miteinander verbunden sind, allmählich in der stromabwärts gerichteten Strömungsrichtung des Reaktionsgases.
Das Reaktionsgas weist die höhere Strömungsgeschwindigkeit in der stromabwärts gerichteten Richtung des Reaktionsgas-Strömungswegs auf, der durch die mehreren Unterteilungsbereiche ausgebildet ist. In der Richtung stromabwärts des Reaktionsgas-Strömungswegs verbraucht die Zellenreaktion die größere Menge des Reaktionsgases oder des elektrodenaktiven Materials (Wasserstoff oder Sauerstoff), um die Strömungsrate des Reaktionsgases zu verringern. Die allmählich verschmälerte Breite der Unterteilungsbereiche erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases in der stromabwärtigen Richtung und stellt eine ausreichende Zellenleistung sicher. Das Reaktionsgas weist den größeren Wassergehalt in der stromabwärtigen Richtung des Gasströmungswegs auf. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases in der stromabwärtigen Richtung verbessert ein Abfließen in der stromabwärtigen Richtung.
Bei einer bevorzugten Struktur weist die zweite Brennstoffzelle oder dritte Brennstoffzelle folgende Merkmale auf: ein Abdichtungselement, das zwischen der Elektrolytanordnung und einem jeweiligen der Gasseparatoren angeordnet ist, um auf zumindest dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs angeordnet zu sein und eine gasabdichtende Eigenschaft in dem Strömungsweg des Reaktionsgases sicherzustellen; und eine Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur, die auf der einen Fläche des Gasseparators vorgesehen ist, um einen Zwischenraum zwischen dem erweiterten Ende des zumindest einen Gasströmungsweg-Teilungsträger und dem Abdichtungselement zu füllen, das auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs angeordnet ist.
Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur verhindert effektiv eine potentielle Leckströmung der Gasströmung zwischen den Unterteilungsbereichen über den Zwischenraum. Diese Anordnung bewirkt keine partielle Verringerung der Gasströmungsrate im Gasströmungsweg, der durch die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators definiert ist, und behält die im Wesentlichen einheitliche Gasströmungsrate über den gesamten Gasströmungsweg bei.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch Abzweigung von anderen Anmeldungen, z. B. einem Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenseparators erhalten.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 200 einschließlich eines Brennstoffzellenstapels 210 in einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Schichtungsstruktur von Einheit-Brennstoffzellen 215 in dem Brennstoffzellenstapel 210 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt ein Anodengasströmungswegmuster 212P, das in einem Querschnitt XX der Einheit-Brennstoffzelle 215 erstellt wurde;
4 ist eine Querschnittansicht, die einen Brennstoffzellenstapel 210 in einer Schichtungsrichtung in der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5 zeigt ein Anodengasströmungswegmuster 213P auf einem Separator 261A in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt ein Anodengasströmungswegmuster 214P auf einem Separator 262A in einer dritten Ausführungsform der Erfindung:
7 zeigt ein Anodengasströmungsmuster215P auf einem Separator 263A in einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
8 ist ein zersetzte perspektivische Ansicht, die die Struktur einer Einheit-Brennstoffzelle in einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
9 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines Brennstoffzellenstapels in der fünfte Ausführungsform schematisch darstellt;
10 ist eine Draufsicht, die die Struktur eines Separators 264A in der Einheit-Brennstoffzelle der fünften Ausführungsform darstellt.
11 ist eine Draufsicht, die die Struktur eines Separators 264B in der Einheit-Brennstoffzelle der fünften Ausführungsform darstellt;
12 ist eine Draufsicht, die die Struktur eines Harzrahmens 270A in der Einheit-Brennstoffzelle der fünften Ausführungsform darstellt;
13 ist eine Draufsicht, die die Struktur eines Harzrahmens 270B in der Einheit-Brennstoffzelle der fünften Ausführungsform darstellt;
14 ist eine Querschnittansicht, die die Struktur des Brennstoffzellenstapels der fünften Ausführungsform auf einem Querschnitt, der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 beinhaltet, schematisch darstellt;
15 ist eine Querschnittansicht, die die Struktur des Brennstoffzellenstapels der fünften Ausführungsform auf einem Querschnitt darstellt, der die vorstehenden Bereiche 346 und Konkaven 348 in einem gemeinsamen Bereich 382 beinhaltet;
16 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Bereich Y darstellt, der durch die unterbrochene Linie in 10(A) eingekreist ist;
17 zeigt ein modifiziertes Beispiel einschließlich einer weiteren Gasleckströmungs- Verhinderungsstruktur;
18 zeigt ein weiteres modifiziertes Beispiel, bei dem allmählich die Breite der Unterteilungsbereiche 380 in der stromabwärtigen Richtung des Gasströmungswegs verschmälert wird; und
19 zeigt modifizierte Strukturen der linearen Unterteilungsbereichskonvexe.

Beste Modi zum Ausführen der Erfindung
Einige Modi zum Ausführen der Erfindung sind nachstehend als bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Struktur eines Brennstoffzellenstapels in einer ersten Ausführungsform der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 200 einschließlich eines Brennstoffzellenstapels 210 in einer Ausführungsform der Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet neben dem Brennstoffzellenstapel 210 einen Hochdruck-Wasserstofftank 230, der ein Brenngas (Wasserstoffgas) für eine Versorgung des Brennstoffzellenstapels 210 speichert, ein Brenngaszuführventil 290, das betrieben wird, um die Zuführung des Brenngases zu regulieren, eine Abgasreinigungsanlage 234, die ein Anoden-Abführgas als ein Abgas von dem Brennstoffzellenstapel 210 reinigt, eine Luftzuführpumpe 284, die betätigt wird, um einen Vorrat an Oxidationsgas (Luft) in den Brennstoffzellenstapel 210 einzuführen, und einen Wärmetauscher 260, der den Brennstoffzellenstapel 210 abkühlt. In der vorliegenden Spezifikation steht der Begriff „Reaktionsgas“ zumindest entweder für ein Brenngas oder das Oxidations gas.
Der Brennstoffzellenstapel 210 weist einen Anodengas-Strömungsweg 212, einen Kathodengas-Strömungsweg 214, einen Kühlmittelströmungsweg 222 und elektrische Leistungsausgabeanschlüsse 216 und 218 auf. Das von dem Hochdruck-Wasserstofftank 230 zugeführte Brenngas für eine Leistungserzeugung strömt durch den Anodengasströmungsweg 212, während die als das Oxidationsgas eingeführt Außenluft zur Leistungserzeugung durch den Kathodengas-Strömungsweg 214 strömt. Ein Kühlwasser oder ein anderes Kühlmittel LLC, das im Wärmetauscher 260 luftgekühlt wird, wird in den Kühlmittelströmungsweg 222 eingeführt.
2 zeigt eine Schichtungsstruktur der Einheit-Brennstoffzellen 215, die in dem Brennstoffzellenstapel 210 beinhaltet sind, in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Jede Einheit-Brennstoffzelle 215 weist eine Elektrolytanordnung 250 aus einer Elektrolytmembran und Elektroden (nicht gezeigt) und zwei Separatoren 260A und 260B auf, die angeordnet sind, um die Elektrolytanordnung 250 dazwischen zu lagern. Ein Anodengasströmungsweg ist auf einer Fläche des Separators 260A ausgebildet, um den Vorrat an Brenngas oder Anodengas der Elektrolytanordnung 250 zuzuführen, während ein Oxidationsgas-Strömungsweg auf einer Fläche des Separators 260B ausgebildet ist, um den Vorrat an Oxidationsgas (wobei es sich dabei in dieser Ausführungsform um Luft handelt) in die Elektrolytanordnung 250 einzuführen. Die anderen Flächen der Separatoren 260A und 260B sind miteinander in Kontakt, um einen Kühlmittelströmungsweg zu definieren, um die Strömung des Kühlmittels LLC zu ermöglichen. Diese Kühlmittelströmungsweg bildenden Flächen sind jeweils umgekehrt zu den Reaktionsgas-Strömungsweg bildenden Flächen der Separatoren 260A und 260B.
3 zeigt ein Anodengasströmungsweg-Muster 212P auf einem Querschnitt XX der Einheit-Brennstoffzelle 215. Das Anodengas-Strömungswegmuster 212P weist eine unabhängige Serpentinenstruktur auf, die einen Anodengaseinlass 212in mit einem Anodengasauslass 212out verbindet. Das Anodengas-Strömungswegmuster 212P dieser Ausführungsform weist einen geraden Strömungswegbereich, einen ersten Verbindungsbereich und einen zweiten Verbindungsbereich auf, der durch eine Anzahl von geraden, Strömungsweg bildenden Trägern 212L und zwei Gasströmungsweg-Teilungsträgern 212B1 und 212B2 definiert ist. In der Darstellung von 3 zeigt ein schraffierter Bereich Kontaktbereiche des Separators 260A an, die mit der Elektrolytanordnung 250 in Kontakt sind. Schwarz ausgefüllte Bereiche zeigen ein Abdichtungselement eines Harzrahmens an. Der Harzrahmen ist zwischen der Elektrolytanordnung 250 und dem Separator 260A positioniert und angeordnet, um den Umfang des Anodengas-Strömungswegmusters 212P zu umgeben, das in 3 gezeigt ist.
Der gerade Strömungswegbereich weist mehrere gerade Gasströmungswege auf, die durch die geraden Gasströmungsweg bildenden Träger 212L definiert sind. Die mehreren geraden Gasströmungswege sind durch die beiden Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 und 212B in eine erste gerade Gasströmungsweggruppe, eine zweite gerade Gasströmungsweggruppe und eine dritte gerade Gasströmungsweggruppe unterteilt. Die erste gerade Gasströmungsweggruppe und die zweite gerade Gasströmungsweggruppe sind durch den ersten Verbindungsbereich seriell verbunden. Die zweite gerade Gasströmungsweggruppe und die dritte gerade Gasströmungsweggruppe sind durch den zweiten Verbindungsbereich seriell verbunden.
Die unabhängige Serpentinenstruktur ist konstruiert, um die nachstehenden Bedingungen zu erfüllen:

(1) Das durch den Anodengaseinlass 212in des ersten Verbindungsbereichs eingeführte Anodengas strömt in die erste gerade Gasströmungsweggruppe;
(2) Das durch die erste gerade Gasströmungsweggruppe strömende Anodengas wird in dem ersten Verbindungsbereich umgekehrt, so dass es in eine umgekehrte Richtung strömt und in die zweite gerade Gasströmungsweggruppe strömt; und
(3) Das durch die zweite gerade Gasströmungsweggruppe strömende Anodengas wird im zweiten Verbindungsbereich umgekehrt, so dass es in eine umgekehrte Richtung strömt, strömt durch die dritte gerade Gasströmungsweggruppe und wird vom Anodengasauslass 212out abgeführt.

4 ist eine Schnittansicht, die den Brennstoffzellenstapel 210 in seiner Schichtungsrichtung in der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Diese Zeichnungen zeigen die Positionsbeziehung zwischen dem Strömungsweg des Oxidationsgases, dem Strömungsweg des Kühlmittels LLC und dem Strömungsweg des Anodengases im Brennstoffzellenstapel 210.
Die drei Strömungswege, d. h. der Anodengasströmungsweg, der Oxidationsgasströmungsweg und der Kühlmittelströmungsweg, die durch die beiden Separatoren 260A und 260B definiert sind, weisen eine zueinander organische Beziehung auf. Bei den beiden Separatoren 260A und 260B handelt es sich um gepresste Blechplatten mit unlösbar miteinander verbundenen Konkaven und Konvexen als zueinander umgekehrte Strukturen, die auf deren jeweiligen beiden Flächen ausgebildet sind, um die Strömungswege zu definieren, wie in 4 gezeigt ist.
4(a) zeigt einen Querschnitt AA des geraden Strömungswegbereichs im Brennstoffzellenstapel 210. Das Anodengasströmungswegmuster 212P auf dem Querschnitt AA beinhaltet die mehreren geraden Gasströmungswege, die durch die Anzahl der geraden Gasströmungsweg bildenden Träger 212L (wobei nur der unterste Balken mit diesem Hinweis in 3 und 4 versehen ist) und die beiden Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 und 212B2 definiert sind und in die erste gerade Gasströmungsweggruppe, die zweite gerade Gasströmungsweggruppe und die dritte Gasströmungsweggruppe unterteilt sind. Ein Kühlmittelströmungswegmuster 222P auf dem Querschnitt AA weist mehrere gerade Kühlmittelströmungswege auf, die als die Umkehrung zu den geraden Gasströmungswege ausgebildet sind.
4(b) zeigt einen Querschnitt BB des zweiten Verbindungsbereichs in dem Brennstoffzellenstapel 210. Das Anodengasströmungswegmuster 212P auf dem Querschnitt BB beinhaltet einen Verbindungsbereich zum Verbinden des Anodengaseinlasses 212in mit der ersten geraden Gasströmungsweggruppe und einen Verbindungsbereich zum seriellen Verbinden der zweiten geraden Gasströmungsweggruppe und der dritten geraden Gasströmungsweggruppe, die durch den Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 geteilt sind. Das Kühlmittelströmungswegmuster 222P auf dem Querschnitt BB wird nicht durch den Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 geteilt und weist mehrere gerade Kühlmittelströmungswege auf, die ohne Teilung parallel miteinander verbunden sind.
4(c) zeigt einen Querschnitt CC des ersten Verbindungsbereichs in dem Brennstoffzellenstapel 210. Das Anodengasströmungswegmuster 212P auf dem Querschnitt CC beinhaltet einen Verbindungsbereich zum seriellen Verbinden der ersten geraden Gasströmungsweggruppe und der zweiten geraden Gasströmungsweggruppe und einen Verbindungsbereich zum Verbinden der dritten geraden Gasströmungsweggruppe mit dem Anodengasauslass 212out, die durch den Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B2 geteilt sind. Das Kühlmittelströmungswegmuster 222P auf dem Querschnitt CC ist nicht durch den Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B2 geteilt und weist mehrere gerade Kühlmittelströmungswege auf, die ohne Teilung parallel verbunden sind.
Bei den Strukturen dieser Ausführungsform und der anschließenden Ausführungsformen ist ein Kathodengas-Strömungswegmuster 214P symmetrisch mit dem Anodengas-Strömungswegmuster 212P ausgebildet und weist eine ähnliche Konstruktion zu der des Anodengas-Strömungswegmusters 212P auf. Die symmetrische Anordnung des Anodengas-Strömungswegmusters 212P und des Oxidationsgas-Strömungswegmusters 214P bewirkt, dass die geraden Gasströmungsweg bildenden Träger 212L und die Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 und 212B2 des Separators 260A und die einen geraden Gasströmungsweg bildenden Träger 212L und die Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 und 212B2 des Separators 260B in einer Einheit-Brennstoffzelle 215 mit den jeweiligen einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytanordnung 250 an einander entsprechenden Positionen in Kontakt gelangen, wie in 4(a) gezeigt ist. Die symmetrische Anordnung des Anodengasströmungswegmusters 212P und des Oxidationsgasströmungswegmusters 214P bewirkt, dass die geraden Kühlmittelströmungswege, die als die Umkehrung der geraden Gasströmungsweg auf den Separatoren 260A und 260B der benachbarten Einheit-Brennstoffzelle 215 ausgebildet sind, miteinander an jeweiligen, einander entsprechenden Positionen in Kontakt gelangen und das Kühlmittelströmungswegmuster 222P definieren, wie in 4(a) gezeigt ist.
Die mehreren geraden Gasströmungswege, die durch die mehreren einen geraden Gasströmungsweg bildenden Träger 212L und die beiden Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1 und 212B2 der Ausführungsform definiert sind, entsprechen den „mehreren linearen Gasströmungswegen“ in den Ansprüchen der Erfindung. Die Kombination aus dem „ersten Verbindungsbereich und dem Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B2“ mit dem „zweiten Verbindungsbereich und dem Gasströmungsweg-Teilungsträger 212B1“ ist ein Beispiel der „Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur“ in dem Ansprüchen der Erfindung.
In der Struktur der ersten vorstehen beschriebenen Ausführungsform sind die mehreren geraden Gasströmungswege in drei gerade Gasströmungsweggruppen unterteilt, die seriell miteinander verbunden sind. Die mehreren geraden Kühlmittelströmungswege sind parallel ohne Teilung miteinander verbunden. Bei jedem der Separatoren ist die Gasströmungsweg bildende Fläche und die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche als die zur anderen umgekehrte Struktur auf deren beiden Flächen ausgebildet. Diese Anordnung ergibt die Gasströmungswege, die seriell verbunden sind, um den langen Gasströmungsweg und die kurzen Kühlmittelströmungswege zu bilden, die parallel zueinander verbunden sind. Der eine hohe Formbarkeit aufweisende, zweiseitige Separator bildet gleichzeitig den Gasströmungsweg mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit und die Kühlmittelströmungsweg mit dem geringen Druckverlust aus.
Struktur des Brennstoffzellenstapels in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung
5 zeigt ein Anodengasströmungswegmuster 213P auf einem Separator 261A in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der grundlegende Unterschied von dem Anodengas-Strömungswegmuster 212P der ersten Ausführungsform ist, dass das Anodengasströmungswegmuster 213P der zweiten Ausführungsform mehrere vorstehende Bereiche 261C aufweist, die in den Anodengasströmungsweg vorstehen.
Die mehreren Vorstehenden Elemente261C sind bereitgestellt, um die potentielle Blockierung der Anodengasströmung aufgrund einer Kondensation des Anodengases in dem ersten Verbindungsbereich und in dem zweiten Verbindungsbereich zu verhindern. Die Kondensation des Anodengases wird der verminderten Strömungsrate des Anodengases im ersten und zweiten Verbindungsbereich und einer Verflüssigung des im Anodengas enthaltenen Wassergehalts zugeschrieben. Die Strömungsrate des Anodengases wird durch Umwandlung der kinetischen Energie in Druckenergie in der Strömung des Anodengases von den geraden Gasströmungsweggruppen in die jeweiligen Verbindungsbereiche gesenkt (Bernoulli'sche Theorie). Die Energieumwandlung wird durch die größeren Strömungskanal-Querschnittsbereiche des ersten Verbindungsbereichs und des zweiten Verbindungsbereichs als die Strömungskanal-Querschnitte der geraden Gasströmungsweggruppen ausgelöst. Die Reduktion der Strömungskanal-Querschnittsflächen des ersten Verbindungsbereichs und des zweiten Verbindungsbereichs unterdrückt somit die Energieumwandlung. Die mehreren vorstehenden Bereiche 261C reduzieren die Strömungskanal-Querschnittsflächen des ersten Verbindungsbereichs und des zweiten Verbindungsbereichs, um die Strömungsrate konstant zu halten.
Die Struktur der zweiten Ausführungsform weist die mehreren vorstehenden Elemente 261C auf, um die Strömungskanal-Querschnittsfläche des ersten Verbindungsbereichs und des zweiten Verbindungsbereichs zu reduzieren, um dadurch die potentielle Blockade der Anodengasströmung aufgrund einer Kondensation des Anodengases in dem ersten Verbindungsbereich und in dem zweiten Verbindungsbereich zu verhindern.
In der Struktur der zweiten Ausführungsform stehend die Oberseiten der mehreren vorstehenden Elemente 261C mit der Elektrolytanordnung 250 in Kontakt. Die mehreren vorstehenden Elemente 261C funktionieren somit zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit des Separators 261A und verbessern die elektrische Leitfähigkeit in dem ersten Verbindungsbereich und dem zweiten Verbindungsbereich. Wie in 5(b) gezeigt ist, ist ein Separator 261B auf der Kathodenseite symmetrisch mit dem Separator 261A auf der Anodenseite ausgebildet. Die Oberseiten der mehreren vorstehenden Elemente 261C, die auf dem Separator 261A ausgebildet sind, und jene der mehreren vorstehenden Elemente 261C, die auf dem Separator 261B in einer Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind, sind mit den jeweiligen einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytanordnung 250 an einander entsprechenden Positionen in Kontakt. Die symmetrische Anordnung auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite bewirkt, dass mehrere vorstehende Elemente, die auf den einen Kühlmittelströmungsweg ausbildenden Flächen der Separatoren 261A und 261B in benachbarten Einheit-Brennstoffzellen hervorstehen, miteinander in an jeweiligen, einander entsprechenden Positionen in Kontakt sind. Die vorstehenden Elemente auf der einen Kühlmittelströmungsweg ausbildenden Fläche sind umgekehrt zu der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche mit den mehreren vorstehenden Elementen 261C in dem ersten Verbindungsbereich und dem zweiten Verbindungsbereich.
Die Struktur der zweiten Ausführungsform weist ähnlich vorstehende Elemente an einem Anodengaseinlass und einem Anodengasauslass auf. Die vorstehenden Elemente am Anodengaseinlass dienen zum Erreichen der homogenen Verteilung der Anodengasströmung in die mehreren geraden Gasströmungswege. Die vorstehenden Elemente am Anodengasauslass dienen der Verhinderung der potentiellen Kondensation des Anodengases.
Struktur des Brennstoffzellenstapels in der dritten Ausführungsform der Erfindung
6 zeigt ein Anodengas-Strömungswegmuster 214P auf einem Separator 262A in einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die grundlegenden Unterschiede zum Anodengasströmungswegmuster 213P der zweiten Ausführungsform sind: (1) Die Dicke der Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B in dem Gasströmungswegmuster 214P der dritten Ausführungsform beträgt etwa 1,5 Mal die Dicke der einen geraden Gasströmungsweg bildenden Träger 212L (siehe 6(a)); und (2) das Gasströmungswegmusters 214P der dritten Ausführungsform weist ein Kühlmittelsteuerungswehr 262D auf, das in den Kühlmittelströmungsweg an einer Position in der Nähe eines geraden Kühlmittelströmungswegs vorsteht, der als die Umkehrung des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 262B ausgebildet ist (siehe 6(b) und 6(c)).
Wie in 6(a) gezeigt ist, weisen die Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B die 1,5 fache Dicke der einen geraden Gasströmungsweg bildenden Balken 212L auf, um eine potentielle Gasleckströmung aus der ersten geraden Gasströmungsweggruppe zur zweiten geraden Gasströmungsweggruppe zu verhindern. Das Ausströmen der Gasströmung geschieht über eine Gasdiffusionsschicht der Elektrolytanordnung 250. Die vergrößerte Breite der Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B, die in Kontakt mit der Elektrolytanordnung 250 sind, verhindert effektiv die potentielle Gasleckströmung. Der verstärkte Kontaktdruck der Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B, die in Kontakt mit der Elektrolytanordnung 250 stehen, kann ebenfalls die potentielle Gasleckströmung verhindern. Die vergrößerte Höhe der Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B in der Schichtungsrichtung führt zum verstärkten Kontaktdruck der Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B in Kontakt mit der Elektrolytanordnung 250.
Das Kühlmittelsteuerungswehr 262D ist bereitgestellt, um eine Überkühlung des Kühlmittels LLC in einem geraden Kühlmittelströmungsweg zu verhindern, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 262B ausgebildet ist. Die Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B weisen die 1,5-fache Dicke der einen geraden Gasströmungsweg bildenden Balken 212L auf. Der gerade Kühlmittelströmungsweg, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträger 262B ausgebildet ist, weist dementsprechend die 1,5-fache Breite der geraden Kühlmittelströmungswege auf, die als die Rückseite der einen geraden Gasströmungsweg ausbildenden Träger 212L gebildet sind (siehe 6(b)). Der breite gerade Kühlmittelströmungsweg kann eine Überkühlung des Kühlmittels LLC bewirken.
Der Kühlmittelsteuerungswehr 262D ist in der Nähe des Einlasses des geraden Kühlmittelströmungswegs positioniert, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 262B ausgebildet ist, um die Strömungsrate des Kühlmittels LLC zu steuern, das in dem geraden Kühlmittelströmungsweg strömt. In der Struktur der dritten Ausführungsform weist der Kühlmittelsteuerungswehr 262D eine elliptische Form auf, wobei seine lange Achse senkrecht zum geraden Kühlmittelströmungsweg verläuft, wie in 6(b) gezeigt ist. Die elliptische Form des Kühlmittel-Strömungswehrs 262D stellt eine effektive Steuerung der Strömungsrate des Kühlmittels LLC sicher.
Ein Strömungsratensteuerungselement 262E kann zusätzlich in dem geraden Kühlmittelströmungsweg bereitgestellt sein, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 262B ausgebildet ist, um die Strömungsrate des Kühlmittels LLC in dem geraden Kühlmittelströmungsweg zu steuern. Mit einer weiteren verfügbaren Technik kann der gerade Kühlmittelströmungsweg mit einem wärmeisolierenden Material beschichtet sein, um eine Überkühlung des Kühlmittels LLC zu verhindern. Die Strömungsratensteuerungsstruktur dieser Ausführungsform bewirkt kaum eine Senkung der Gesamtkühlungskapazität und ist somit gegenüber anderen Techniken von Vorteil.
Struktur des Brennstoffzellenstapels in der vierten Ausführungsform der Erfindung
7 zeigt ein Anodengasströmungsmuster 215P auf einem Separator 263A in einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der grundlegende Unterschied zum Anodengasströmungsmuster 213P der zweiten Ausführungsform ist, dass das Anodengasströmungsmuster 215P der vierten Ausführungsform Gleichrichterelemente 263R aufweist, die angeordnet sind, um die Strömung des Anodengases in dem ersten Verbindungsbereich und in dem zweiten Verbindungsbereich im Wesentlichen zu homogenisieren.
Die Gleichrichterelemente 263R homogenisieren im Wesentlichen die Strömung des Anodengases in den jeweiligen Verbindungsbereichen, wodurch eine Kondensation des Anodengases aufgrund der Einbehaltung des Anodengases oder eines partiellen Druckanstiegs effektiv verhindert wird. Die im Wesentlichen gleichförmige Strömungsgeschwindigkeit in den Verbindungsbereichen trägt zur Verbesserung der Leistungserzeugungseffizienz in den Verbindungsbereichen bei.
In den Strukturen der ersten bis dritten Ausführungsform sind die mehreren geraden Gasströmungswege in drei gerade Gasströmungsweggruppen unterteilt und seriell verbunden, um die unabhängige Serpentinenstruktur auszubilden. Bei einer modifizierten Anordnung können die mehreren geraden Gasströmungswege in vier gerade Gasströmungsweggruppen unterteilt werden und verbunden werden, um zwei unabhängige Serpentinenstrukturen zu bilden.
Fünfte Ausführungsform
8 ist eine auseinandergenommene, perspektivische Ansicht, die die Struktur einer Einheit-Brennstoffzelle in einer fünften Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt. 9 ist eine Schnittansicht, die die Struktur eines Brennstoffzellenstapels in der fünften Ausführungsform schematisch darstellt, der durch Schichten der mehreren Einheit-Brennstoffzelle von 8 erhalten wird. Der Brennstoffzellenstapel der fünften Ausführungsform kann den Brennstoffzellenstapel 210 der ersten Ausführungsform im Brennstoffzellensystem 200 von 1 ersetzen. Die Einheit-Brennstoffzelle der fünften Ausführungsform weist eine Elektrolytanordnung 250 auf, die mit der Elektrolytanordnung 250 in der ersten bis vierten Ausführungsform identisch ist, ein Paar von Harzrahmen 270A und 270B, die entlang der Elektrolytanordnung 250 plaziert sind, um den Umfang der Elektrolytanordnung 250 zu stützen, und ein Paar von Separatoren 264A und 264B auf, die außerhalb der jeweiligen Harzrahmen 270A und 270B plaziert sind, um die Elektrolytanordnung 250 zu lagern, die zwischen den Harzrahmen 270A und 270B angeordnet sind. Der Separator 264A und die Elektrolytanordnung 250 in einer jeweiligen Einheit-Brennstoffzelle definieren einen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungsweg, um ein Hindurchströmen des Brenngases zu ermöglichen. Die Räume mit der Bezeichnung „H2“ in 9 stellen die im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungswege dar. Der Separator 264B und die Elektrolytanordnung 250 in einer jeweiligen Einheit-Zelle definieren einen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Oxidationsgasströmungsweg, um ein Hindurchströmen des Oxidationsgases zu ermöglichen. Die Räume mit der Bezeichnung „O₂“ in 9 stellen die im Inneren der Einheit-Zelle angeordnete Oxidationsgasströmungswege dar. Der Separator 264A in einer Einheit-Brennstoffzelle und der Separator 264B in einer benachbarten Einheit-Brennstoffzelle definieren einen zwischen den Einheit-Brennstoffzellen befindlichen Kühlmittelströmungsweg, um ein Hindurchströmen des Kühlmittels zu ermöglichen. Die Räume mit der Bezeichnung „Kühlmittel“ in 9 stellen die zwischen den Einheit-Zellen befindlichen Kühlmittelströmungswege dar.
10 ist eine Draufsicht, die die Struktur des Separators 264A darstellt. 10(A) zeigt eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators 264A, der mit der Elektrolytanordnung 250 verbunden ist, um den zwischen den Einheit-Zellen befindlichen Brenngasströmungsweg zu bilden. 10(b) zeigt eine Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators 264A, der mit dem Separator 264B von einer benachbarten Einheit-Zelle verbunden ist, um den zwischen Einheit-Zellen befindlichen Kühlmittelströmungsweg zu bilden. Die Pfeile A und B in 10 zeigen jeweils die horizontale Richtung und die vertikale Richtung der Installation des Brennstoffzellenstapels. Der Separator 264A ist im Wesentlichen eine rechtwinkelige Blechplatte, die pressgeformt ist, so dass sie konkav-konvexe Flächen und Öffnungen an vorher festgelegten Positionen aufweist. Die Blechplatte ist so gepresst, das sie die gewünschte konkav-konvexe Form aufweist. Die konkav-konvexe Form auf der Gasströmungsweg ausbildenden Fläche des Separators 264A ist somit umgekehrt zur konkav-konvexen Form auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche. Genauer gesagt entspricht die Form eines Konvexes, das auf einer Fläche ausgebildet ist, der Form eines Konkavs, das auf der anderen Fläche ausgebildet ist, und die Form eines Konkavs, das auf einer Fläche ausgebildet ist, entspricht der Form eines Konvexes, das auf der anderen Fläche ausgebildet ist.
Wie in 10(A) gezeigt ist, weist der Separator 264A Öffnungen 310, 311 und 312 auf, die entlang einer Umfangsseite 300 in der vertikalen Richtung ausgebildet sind, und Öffnungen 313, 314 und 315 entlang einer weiteren Umfangsseite 305 gegenüber der Umfangsseite 300. Diese Öffnungen 310 bis 315 sind in ähnlicher Weise im Separator 264B und in den Harzrahmen 264A und 264B ausgebildet, wie später beschrieben ist. In dem Brennstoffzellenstapel, der durch Schichten der Einheit-Brennstoffzellen der Elektrolytanordnung 250, der Harzrahmen 270A und 270B und der Separatoren 264A und 264B hergestellt wird, überlappen die entsprechenden Öffnungen, um einen jeweiligen Fluidströmungsweg zu bilden, der durch den Brennstoffzellenstapel in seiner Schichtungsrichtung läuft. Die Öffnungen 313 definieren einen Brenngaszuführ-Verteiler, um den Brenngasvorrat zu verteilen, der von außerhalb des Brennstoffzellenstapels in die jeweiligen im Inneren der Einheit angeordneten Brenngasströmungswege (die als H2 In“ in 10 bis 13 bezeichnet sind) zugeführt wird. Die Öffnungen 315 definieren einen Brenngas-Abgas-Verteiler, um die zusammengeführte Strömung des Abgas-Brenngases, das nach den elektrochemischen Reaktionen auf den jeweiligen Einheit-Brennstoffzellen abgeführt wird, nach außerhalb des Brennstoffzellenstapels zu führen (wobei dieser Bereich in 10 bis 13 als „H₂ Out“ bezeichnet wird). Die Öffnungen 312 definieren einen Oxidationsgaszuführ-Verteiler, um den Vorrat an Oxidationsgas zu verteilen, der von außerhalb des Brennstoffzellenstapels in die jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Oxidationsgasströmungswege zugeführt wird (wobei dieser Bereich in den 10 bis 13 als „O₂ In“ bezeichnet wird). Die Öffnungen 310 definieren ein Oxidationsgas-Abgas-Verteilungselement bzw. -verteiler, um die zusammengeführte Strömung eines Abgas-Oxidationsgases zu führen, das nach den elektrochemischen Reaktionen auf den jeweiligen Einheit-Brennstoffzellen nach außerhalb des Brennstoffzellenstapels abgeführt wird (wobei dieser Bereich in 10 bis 13 als „O₂ Out“ bezeichnet wird). Die Öffnungen 314 definieren ein Kühlmittelzuführ-Verteilungselement, um die Strömung des Kühlmittels, das von außerhalb des Brennstoffzellenstapels eingeführt wird, in die zwischen den Einheit-Zellen befindlichen Kühlmittelströmungswege (wobei dieser Bereich in 10 bis 13 als „Ref In“ bezeichnet wird) zu führen. Die Öffnungen 311 definieren ein Kühlmittel-Abgas-Verteilungselement, um die zusammengeführte Strömung des Kühlmittels, das durch die jeweiligen zwischen den Einheit-Zellen verlaufenden Kühlmittelströmungswege strömt, nach außerhalb des Brennstoffzellenstapels zu führen (wobei dieser Bereich in 10 bis 13 als „Ref Out“ bezeichnet wird).
Die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators 264A weist eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators auf, die mit einer Fläche der Elektrolytanordnung 250 verbunden ist, um die innere Wand des zwischen den Einheit-Zellen befindlichen Brenngasströmungswegs zu bilden, d. h. einen Teil der inneren Wand des Brenngasströmungswegs. Ein im Wesentlichen rechtwinkeliger Bereich mit der ersten konkav-konvexen Struktur und der die Strömung des Brenngases auf seiner Oberfläche aufnimmt, wird nachstehend als ein Leistungserzeugungsbereich 340 bezeichnet. Der Leistungserzeugungsbereich 340 ist durch die unterbrochene Linie in 10(A) umgeben. Bei der fünften Ausführungsform beinhaltet die im Wesentlichen rechtwinkelige einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators drei Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, mehrere lineare Unterteilungsbereichskonvexe 344 und eine große Anzahl von vorstehenden Elementen 346.
Ein jeder der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 weist ein Ende auf, das zu einer Seite des Leistungserzeugungsbereichs hin, nahe einer Umfangsseite 305 (oder einer Umfangsseite 300) erweitert ist, und das andere Ende weg von der anderen Seite des Leistungserzeugungsbereichs 340 nahe der anderen Umfangsseite 300 (oder Umfangsseite 305) gegenüber der Umfangsseite 305 (oder Umfangsseite 300). Genauer gesagt sind die Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 durch den Leistungserzeugungsbereich 340 in der im Wesentlichen horizontalen Richtung erweitert. Das Teilungslinienkonvex 342 weist eine Struktur zur Verhinderung der Gasleckströmung auf, die in der Nähe ihres erweiterten Endes bereitgestellt ist, um eine Gasleckströmung in dem Gasströmungsweg zu verhindern. Die Struktur zum Verhindern einer Gasleckströmung wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Die linearen Unterteilungsbereichskonvexe 344 sind in der im Wesentlichen horizontalen Richtung ausgebildet, so dass sie praktisch parallel zu den Gasströmungsweg-Teilungsträgern 342 sind. Die beiden Enden der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 344 befinden sich entfernt vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340. Eine vorher festgelegte Zahl von (drei bei dieser Ausführungsform) linearen Unterteilungsbereichskonvexen 344 sind gruppiert, um zwischen benachbarten Gasströmungsweg- Teilungsträgern 342 oder zwischen einem Teilungslinienkonvex 342 und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 angeordnet zu sein. Ein jeweiliger Bereich, der durch die Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 definiert ist, so dass er eine Gruppe von linearen Unterteilungsbereichskonvexen 344 aufweist, wird nachstehend als Unterteilungsbereich 380 bezeichnet. In der Struktur der fünften Ausführungsform sind vier Unterteilungsbereiche 380 durch die drei Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 ausgebildet. Die jeweiligen Unterteilungsbereiche 380 sind durch die Einpunkt-Strichlinie in 10(A) umgeben.
Die vorstehenden Elemente 346 sind in regelmäßigen Abständen in einem Bereich angeordnet, der einen ersten Raum beinhaltet, der durch das andere Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 und den Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 definiert ist, und einen zweiten Raum, der durch die Enden der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 344 definiert ist, die in zwei Unterteilungsbereichen 380 ausgebildet sind, die entlang dem Teilungslinienkonvex 342 und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 angeordnet sind. Jede Stelle dieses Bereichs mit mehreren vorstehenden Elementen 346, die in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind, wird nachstehend als gemeinsamer Bereich 382 bezeichnet. In der Struktur der fünften Ausführungsform sind drei gemeinsame Bereiche 382 in der Nähe der jeweiligen anderen Enden der drei Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 ausgebildet. Die gemeinsamen Bereiche 382 sind durch die Zweipunkt-Strichlinie in 10(A) ausgebildet. Die vorstehenden Elemente 346 sind ebenfalls in regelmäßigen Intervallen in Endbereichen des Leistungserzeugungsbereichs 340 in der Nähe der Öffnungen 313 und 315 angeordnet, die durch die Enden der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 344 und den Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 definiert sind. Diese Endräume werden nachstehend als Strömungs-Ein-Aus-Bereiche 384 bezeichnet. Die Strömungs-Ein-Aus-Bereiche 384 sind außerdem durch die Zweipunkt-Strichlinie in 10(A) umgeben. Eine große Anzahl von Konkaven 348 ist in regelmäßigen Intervallen zwischen den regelmäßig angeordneten vorstehenden Elementen 346 in den gemeinsamen Bereichen 382 und in den Strömungs-Ein-Aus-Bereichen 384 angeordnet. Die vorstehenden Elemente 346 sind durch geschlossene Kreise gezeigt, und die Konkaven 348 sind durch offene Kreise der gestrichelten Linie in 10(A) dargestellt. Die vorstehenden Elemente und Konkaven, die auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264A ausgebildet sind, der in 10 (B) gezeigt ist, und die vorstehenden Elemente und Konkaven, die auf dem Separator 264B ausgebildet sind, der in 11 gezeigt ist, sind in ähnlicher Weise durch geschlossene Kreise der gestrichelten Linie gezeigt.
In der Struktur der fünften Ausführungsform sind die Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 mit den Enden, die in Richtung der Seite des Leistungserzeugungsbereichs 340 in der Nähe der Umfangsseite 305 erweitert sind, und das Teilungslinienkonvex 342 mit dem Ende, das zur Seite des Leistungserzeugungsbereichs 340 in der Nähe der Umfangsseite 300 erweitert ist, abwechselnd angeordnet. Diese Anordnung der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, um die Richtung ihrer erweiterten Enden auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 abwechselnd zu ändern, ermöglicht, dass vier Unterteilungsbereiche 380 über die jeweiligen gemeinsamen Bereiche 382 seriell verbunden werden können.
Die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators 264A weist eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche in einem hinteren Flächenbereich umgekehrt zum Leistungserzeugungsbereich 340 auf (der hintere Flächenbereich wird in der nachstehenden Beschreibung zusammenfassend als der Leistungserzeugungsbereich 340 bezeichnet), der mit der gegenüberliegenden Fläche des benachbarten Separators 264B verbunden ist, um die innere Wand des zwischen den Einheit-Zellen angeordneten Kühlmittelströmungswegs zu bilden, d. h. einen Teil der Innenwand des Kühlmittelströmungswegs. In der fünften Ausführungsform beinhaltet die konkav-konvexe Struktur mehrere lineare Kühlmittelströmungskonvexe 354 und eine große Anzahl von vorstehenden Elementen 358, wie in 10(B) gezeigt ist.
Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 sind in der im Wesentlichen horizontalen Richtung ausgebildet, so dass sie praktisch parallel zu den Gasströmungsweg-Teilungsträgern 342 auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche sind. Beide Enden der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 befinden sich entfernt vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340. Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 auf der einen Kühlmittelströmungsweg ausbildenden Fläche sind umgekehrt zur den Konkaven, die zwischen den benachbarten linearen Unterteilungsbereichskonvexen 344 und zwischen dem linearen Unterteilungsbereichskonvex 344 und dem Teilungslinienkonvex 342 auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind. Die vorstehenden Elemente 358 sind umgekehrt zu den Konkaven 348, die in den gemeinsamen Bereichen 382 und in den Strömungs-Ein-Aus-Bereichen 384 auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind. Die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators 264A weist ebenfalls Konkaven 356 auf, die umgekehrt zu den vorstehenden Elementen 346 sind, die auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind.
11 sind Draufsichten, die die Struktur des Separators 264B darstellt. 11(A) zeigt eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators 264B, die mit der Elektrolytanordnung 250 verbunden ist, um einen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Oxidationsgas-Strömungsweg zu bilden. 11 (B) zeigt eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators 264B, der mit dem Separator 264B einer benachbarten Einheit-Brennstoffzelle verbunden ist, um den zwischen der Einheit-Zelle befindlichen Kühlmittelströmungsweg zu bilden. Der Separator 264B ist eine Blechplatte, die eine praktisch identische Kontur zu der des Separators 264A aufweist und pressgeformt ist, um konkav-konvexe Flächen und Öffnungen aufzuweisen, die an vorher eingestellten Positionen in der gleichen Weise wie der Separator 264A ausgebildet sind.
Die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators 264B weist eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators auf, die mit einer Fläche der Elektrolytanordnung 250 verbunden ist, um die Innenwand des zwischen den Einheit-Zellen befindlichen Oxidationsgas-Strömungsweg zu bilden, d. h. einen Teil der Innenwand des Oxidationsgasströmungsweg. Ein im Wesentlichen rechtwinkeliger Bereich mit der ersten konkav-konvexen Struktur und der die Strömung des Oxidationsgases auf seiner Oberfläche aufnimmt, wird nachstehend als Leistungserzeugungsbereich 340 bezeichnet. Der Leistungserzeugungsbereich 340 ist von der unterbrochene Linie in 11 (A) umgeben. Bei der fünften Ausführungsform beinhaltet die im Wesentlichen rechtwinkelige einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators ein Teilungslinienkonvex 362, mehrere lineare Unterteilungsbereichskonvexe 364 und eine große Anzahl von vorstehenden Elementen 366.
Wie die Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 weist das Teilungslinienkonvex 362 ein Ende auf, das zu einer ersten Position auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 erweitert ist, und weist das andere Ende entfernt von einer zweiten Position gegenüber der ersten Position auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 auf. Insbesondere das Teilungslinienkonvex 362 ist durch den Leistungserzeugungsbereich 340 in der im Wesentlichen horizontalen Richtung erweitert. Die linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364 sind in der im Wesentlichen horizontalen Richtung praktisch parallel zu dem Teilungslinienkonvex 362 ausgebildet. Die beiden Enden der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364 sind entfernt vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340. Eine vorher festgelegte Anzahl von (acht bei dieser Ausführungsform) linearen Unterteilungsbereichskonvexen 364 sind so gruppiert, dass sie zwischen dem Teilungslinienkonvex 362 und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 angeordnet sind. Ein jeder Bereich mit einer Gruppe von linearen Unterteilungsbereichskonvexen 364 wird nachstehend als ein Unterteilungsbereich 380 bezeichnet. In der Struktur der fünften Ausführungsform sind zwei Unterteilungsbereiche 380 durch ein Teilungslinienkonvex 362 ausgebildet. Die vorstehenden Elemente 366 und die Konkaven 368 sind in regelmäßigen Intervallen in einem gemeinsamen Bereich 382 angeordnet, der einen ersten Raum zwischen dem anderen Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 362 und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 und einen zweiten Raum zwischen den Enden der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364 und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 beinhaltet. In der Struktur der fünften Ausführungsform ist ein gemeinsamer Bereich 382 in der Nähe des anderen Endes des Teilungslinienkonvex 362 ausgebildet. Die vorstehenden Elemente 366 und die Konkaven 368 sind ebenfalls in regelmäßigen Intervallen in Strömungs-Ein-Aus-Bereichen 384 des Leistungserzeugungsbereichs 340 in der Nähe der Öffnungen 310 und 312 angeordnet wie der Separator 264A. Durch Ausbilden eines Gasströmungsweg-Teilungsträgers 362 werden die beiden Unterteilungsbereiche 380 seriell miteinander über die gemeinsamen Bereiche 382 im Separator 264B verbunden.
Die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators 264B weist eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche in dem Leistungserzeugungsbereich 340 auf, der mit der gegenüberliegenden Fläche des benachbarten Separators 264A verbunden ist, um den zwischen den Einheit-Zellen befindlichen Kühlmittelströmungsweg zu bilden, d. h. einen Teil der Innenwand des Kühlmittelströmungswegs. In der fünften Ausführungsform beinhaltet die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mehrere lineare Kühlmittelströmungskonvexe 374 und eine große Anzahl von vorstehenden Elementen 378.
Wie die linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 sind die linearen Kühlmittelströmungskonvexe 374 in der im Wesentlichen horizontalen Richtung ausgebildet, so dass praktisch parallel zum Teilungslinien-Konvex 362 auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche sind. Beide Enden der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 374 sind entfernt vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340. Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe 374 auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche sind umgekehrt zu den Konkaven, die zwischen den benachbarten linearen Unterteilungsbereichskonvexen 364 und zwischen dem linearen Unterteilungsbereichskonvex 364 und dem Teilungslinienkonvex 362 auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind. Die vorstehenden Elemente 378 sind umgekehrt zu den Konkaven 368, die auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind. Die einen Kühlmittelströmungsweg ausbildende Fläche des Separators 264B weist zudem Konkaven 376 auf, die umgekehrt zu den vorstehenden Elementen 366 sind, die auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind.
12 ist eine Draufsicht, die die Struktur des Harzrahmens 270A schematisch darstellt. Eine Fläche des Harzrahmens 270A, der mit dem Separator 264A in Kontakt ist, ist in 12 gezeigt. Der Harzrahmen 270A weist eine mittige Öffnung 330 auf, die im Wesentlichen rechtwinkelig in ihrer Form und geringfügig kleiner ist als die Elektrolytanordnung 250. Der Harzrahmen 270A weist zudem ein Konkav 320 zum Verbinden der Öffnung 313 mit der mittigen Öffnung 330 und ein Konkav 322 zum Verbinden der Öffnung 315 mit der mittigen Öffnung 330 auf. Das Konkav 320 wird mit dem Separator 264A zusammengefügt, um einen Verbindungsströmungsweg zum Verbinden des zwischen Einheit-Brennstoffzellen befindlichen Kühlmittelströmungswegs mit dem Brenngaszuführungs-Verteilungselement zu bilden, das durch Aufeinanderlegen der Öffnungen 313 gebildet wird. Das Konkav 322 ist mit dem Separator 264A verbunden, um einen Verbindungsströmungsweg zum Verbinden des im Inneren der Einheit-Zelle befindlichen Brenngas-Strömungswegs mit dem Brenngaszuführungsverteilungselement zu bilden, das durch Aufeinanderlegen der Öffnungen 315 ausgebildet wird.
13 ist eine Draufsicht, die die Struktur des Harzrahmens 270B schematisch darstellt. Eine Fläche des Harzrahmens 270B, die mit dem Separator 264B in Kontakt sein soll, ist in 13 gezeigt. Der Harzrahmen 270B weist eine mittige Öffnung 334 auf, die an einer Position entsprechend der Öffnung 330 des Harzrahmens 270A und in der gleichen Form wie die der Öffnung 330 ausgebildet ist. Der Harzrahmen 270B weist zudem ein Konkav 324 zum Verbinden der Öffnung 310 mit der mittigen Öffnung 334 und ein Konkav 326 zum Verbinden der Öffnung 312 mit der mittigen Öffnung 334 auf. Das Konkav 324 ist mit dem Separator 264B zusammengefügt, um einen Verbindungsströmungsweg zum Verbinden des im Inneren der Einheit-Zelle befindlichen Oxidationsgas-Strömungswegs mit dem Brenngaszuführungsverteilungselement zu bilden, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 310 ausgebildet wird. Das Konkav 326 ist mit dem Separator 264B zusammengefügt, um einen Verbindungsströmungsweg zum Verbinden des im Inneren der Einheit-Zelle befindlichen Oxidationsgasströmungswegs mit dem Oxidationsgaszuführungs-Verteilungselement, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 312 ausgebildet wird, zu bilden.
Die Harzrahmen 270A und 270B sind aus einem Isolierharz gefertigt. Die Harzrahmen 270A und 270B sind angeordnet um, die Elektrolytanordnung 250 dazwischen zu halten. Diese Anordnung stellt die notwendige Isolierung zwischen den beiden Flächen der Elektrolytanordung 250 sicher. Jeder der Harzrahmen 270A und 270B ist zwischen dem Separator 264A oder 264B mit der konkav-konvexen Struktur einer bestimmten Höhe und der Elektrolytanordnung 250 angeordnet und funktioniert als Abstandshalter, um einen Abstand entsprechend der konkav-konvexen Struktur zwischen dem Separator 264A oder 264B und der Elektrolytanordnung 250 beizubehalten.
In der Anordnung der Einheit-Brennstoffzelle sind der Separator 264A und der Harzrahmen 270A über ein Abdichtungselement (nicht gezeigt) aus beispielsweise einem Klebstoff zusammengefügt. Desgleichen sind der Separator 264B und der Harzrahmen 270B über ein Abdichtungselement (nicht gezeigt) aus beispielsweise einem Klebstoff zusammengefügt. Die Elektrolytanordnung 250 wird dann zwischen den Harzrahmen 270A und 270B über Abdichtungselemente (nicht gezeigt) aus beispielsweise einem Klebstoff angeordnet und dazwischen befestigt, um eine Einheit-Brennstoffzelle fertigzustellen. Die Elektrolytanordnung 250 und die Harzrahmen 270A und 270B sind derart angeordnet, dass die Elektrolytanordnung 250 die mittige Öffnung 330 des Harzrahmens und die mittige Öffnung 334 des Harzrahmens 270B abdeckt. Eine vorher festgelegte Anzahl von Einheit-Brennstoffzellen, die wie vorstehend beschrieben erstellt werden, werden nacheinander über Abdichtungselemente 390 aus beispielsweise einem Klebstoff (siehe 9) übereinander gelegt, um so den Brennstoffzellenstapel zu ergeben. Das Vorhandensein der Abdichtungselemente zwischen den jeweiligen Paaren von aneinandergrenzenden Elementen sichert eine ausreichende Abdichtungseigenschaft in den im Inneren der Einheit-Zelle befindlichen Gasströmungswegen und der Gaszuführung und den Abgasverteilungselementen. Ein Teil der Abdichtungselemente, die zwischen den jeweiligen Paaren von aneinandergrenzenden Elementen angeordnet sind, können aus einem anderen Material als Klebstoff gefertigt sein. Die Abdichtungselemente 390 können beispielsweise Harzpackungen sein, die zu einer bestimmten Form geformt sind, die die Öffnungen der jeweiligen Verteilerelemente und den Leistungserzeugungsbereich umgeben.
In dem Brennstoffzellenstapel wird die Zuführung des Brenngases, das dem Brenngaszuführungs-Verteilerelement zugeführt wird, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 313 gebildet wird, in die im Inneren der Einheit-Zelle befindlichen Brenngasströmungswege, die in den jeweiligen Einheit-Brennstoffzellen gebildet sind, verteilt. Das Brenngas in dem im Inneren der Einheit-Brennstoffzelle befindlichen Brenngas-Strömungsweg strömt in der horizontalen Richtung in den jeweiligen Unterteilungsbereichen 380 und im Ganzen abwärts in der vertikalen Richtung, wie in den Pfeilen in 10(A) gezeigt ist. Der Kontakt der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, die auf dem Separator 264A angeordnet sind, mit der Elektrolytanordnung 250 unterteilt den Leistungserzeugungsbereich 340, um den Serpentinenströmungsweg auf dem Leistungserzeugungsbereich 340 zu bilden, während die Strömung des Brenngases in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung der jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 (d. h. in der vertikalen Richtung in der Struktur dieser Ausführungsform) verhindert wird. Der Kontakt der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 344, die auf dem Separator 264A ausgebildet sind, mit der Elektrolytanordnung 250 verhindert die Strömung des Brenngases in der vertikalen Richtung in den Unterteilungsbereichen 380 und führt dementsprechend die Gasströmung in der horizontalen Richtung in den Unterteilungsbereichen 380. Das Brenngas, das durch die jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungswege strömt und der elektrochemischen Reaktion unterzogen wird, wird zum Brenngas-Abgasverteilungselement abgeführt, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 315 gebildet wird.
Die Versorgung des Oxidationsgases, das dem Oxidationsgas-Zuführverteilungselement, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 312 ausgebildet wird, zugeführt wird, wird in die im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungswege, die in den jeweiligen Einheit-Brennstoffzellen gebildet sind, verteilt. Das Oxidationsgas in den im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Oxidationsgas-Strömungsweg strömt in der horizontalen Richtung in den jeweiligen Unterteilungsbereichen 380 und im Ganzen aufwärts in der vertikalen Richtung, wie in den Pfeilen in 11(A) gezeigt ist. Der Kontakt des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 362, das auf dem Separator 264B gebildet ist, mit der Elektrolytanordnung 250 unterteilt den Leistungserzeugungsbereich 340, um den Serpentinenströmungsweg auf dem Leistungserzeugungsbereich 340 zu bilden, während die Strömung des Oxidationsgases in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 362 (d. h. in der vertikalen Richtung in der Struktur dieser Ausführungsform) verhindert wird. Der Kontakt der linearen Unterteilungsbereichskonvex 364, die auf dem Separator 264B gebildet sind, mit der Elektrolytanordnung 250 verhindert die Strömung des Oxidationsgases in der vertikalen Richtung in den Unterteilungsbereichen 380 und führt dementsprechend die Gasströmung in der horizontalen Richtung in den Unterteilungsbereichen 380. Das Oxidationsgas, das durch die jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Oxidationsgas-Strömungswege strömt und der elektrochemischen Reaktion unterzogen wird, wird an das Oxidationsgas-Abführverteilungselement abgegeben, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 310 gebildet ist.
Die Zufuhr des Kühlmittels, das dem Kühlmittel-Zuführverteilungselement zugeführt wird, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 314 gebildet wird, wird in die im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungswege verteilt, die zwischen den jeweiligen Paaren von Separatoren 264A und 264B gebildet sind. Das Kühlmittel in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungsweg strömt in der horizontalen Richtung als Ganzes, wie durch die Pfeile in 10(B) und 11(B) angezeigt ist. Der gegenseitige Kontakt der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 und 374 verhindert die Strömung des Kühlmittels in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 und 374 (d. h. in der vertikalen Richtung in der Struktur dieser Ausführungsform) und führt dementsprechend die Kühlmittelströmung in der horizontalen Richtung. Das durch die im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungswege strömende Kühlmittel wird an das Kühlmittelabgas-Verteilungselement abgeführt, das durch Übereinanderlegen der Öffnungen 311 gebildet ist.
Nachstehend erfolgt eine ausführliche Beschreibung über die Formen der jeweiligen Konvexe, die auf den Separatoren 264A und 264B gebildet sind, und die Positionsbeziehung der vorstehenden Elemente in der Einheit-Brennstoffzelle. Die linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344, die auf dem Separator 264A gebildet sind, und die linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364, die auf dem Separator 264B gebildet sind, weisen praktisch flache Oberseiten einer festgelegten identischen Breite auf. Zwischen den Oberseiten der jeweiligen Paare der benachbarten linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 oder zwischen den Oberseiten der jeweiligen Paare der benachbarten linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 364 liegt ein festgelegter identischer Abstand (festgelegte identische Teilung) vor. In 9 stellt W1 die Breite der Oberseiten der linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 und der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364 dar, und W2 stellt die Teilung der linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 und der linearen Unterteilungsbereichskonvex 364 dar.
Auch liegt zwischen einer horizontalen Seite des Separators 264 A oder dem Separator 264B und einem der linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 und einem der linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364, die sich am nächsten zur horizontalen Seite befinden, ein festgelegter identischer Abstand vor. Der Separator 264A weist drei Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 auf, und der Separator 264B weist ein Teilungslinienskonvex 362 auf. Die linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 oder die linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364 sind jedoch auf dem Separator 264A oder dem Separator 264B mit einer im Ganzen bestimmten Regelmäßigkeit ausgebildet, um die linearen Phantom-Unterteilungsbereichskonvexe des festgelegten identischen Abstands zu überlappen, die an der festgelegten identischen Teilung über der gesamten einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators ohne Gasströmungsweg-Teilungsträger ausgebildet werden sollen. Die Oberseiten der linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 auf dem Separator 264A überlappen die Oberseiten der linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 364 auf dem Separator 264B über der Elektrolytanordnung 250 in einer jeweiligen Einheit-Brennstoffzelle, wie in 9 gezeigt ist. Der Querschnitt von 9 ist in der Richtung senkrecht zu den jeweiligen linearen Konvexen geschnitten. Die Position des Querschnitts von 9 ist durch die Linie 9-9 in 10(A) gezeigt. Die Querschnittsansicht von 9 zeigt insbesondere den Umfang der Einheit-Brennstoffzellen einschließlich der Harzrahmen 270A und 270B.
Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354, die als Rückseite der Unterteilungsbereiche 380 auf dem Separator 264A gebildet sind, und die lineare Kühlmittelströmungskonvexe 374, die als die Rückseite der Unterteilungsbereiche 380 auf dem Separator 264B gebildet sind, sind ebenfalls bei einer festgelegten identischen Teilung angeordnet und weisen praktisch flache Oberseiten von einer festgelegten, identischen Breite auf, wie die linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 und die linearen Unterteilungsbereichskonvexe 364. In 9 stellt W3 die Breite der Oberseiten der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 und der lineare Kühlmittelströmungskonvexe 374 dar, und W4 stellt die Teilung der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 und der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 374 dar. Es besteht zudem der festgelegte identische Abstand zwischen einer horizontalen Seite des Separators 264A oder des Separators 264B und einem der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 oder einem der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 374, das sich am nächsten zur horizontalen Seite befindet. Die Oberseiten der linearen Kühlmittelströmungskonvexe 354 auf dem Separator 264A überlappen nämlich die Oberseiten der lineare Kühlmittelströmungskonvexe 374 auf dem Separator 264B in einer jeweiligen Einheit-Brennstoffzelle, wie in 9 gezeigt ist.
In der Struktur der fünften Ausführungsform weisen die drei Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, die auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264A ausgebildet sind, und das Teilungslinienkonvex 342?, das auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264B ausgebildet ist, praktisch flache Oberflächen einer festgelegten identischen Breite auf. Die Breite der Oberseiten der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 und 362 ist größer als die Breite der Oberseiten der linearen Unterteilungsbereichs-Konvexe 344 und 364. 14 ist eine Querschnittsansicht, die auf der Linie 9-9 von 10(A) erstellt worden ist, und ist eine schematische Darstellung von einer der drei Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, die auf dem Separator 264A ausgebildet sind. In 14 stellt W5 die Breite der Oberseiten der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 dar. Die Breite W5 erfüllt eine Beziehung, die als die nachstehend angegebene Gleichung (1) ausgedrückt wird. $W 5 = W 1 \times 2 + W 2$
Die Oberseiten der Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, die auf dem Separator 264A ausgebildet sind, überlappen somit die Oberseiten der beiden benachbarten linearen Unterteilungsbereichskonvex 364 auf dem Separator 264B entlang der Elektrolytanordnung 250 in einer jeweiligen Einheit-Brennstoffzelle. Die Oberseite des mittleren Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342, das in der Mitte zwischen den drei Gasströmungsweg- Teilungsträgern 342, die auf dem Separator 264A ausgebildet sind, angeordnet ist, überlappt die Oberseite des Teilungslinien-Konvexes 362, die auf dem Separator 264B ausgebildet ist, entlang der Elektrolytanordnung 342.
15 ist eine Querschnittsansicht, die die vorstehenden Elemente 346 und die Konkaven 348 darstellt, die in dem gemeinsamen Bereich 382 auf dem Separator 264A in der Einheit-Brennstoffzelle angeordnet sind. Die Position des Querschnitts von 15 ist durch die Linie 15-15 in 10(A) gezeigt. Die Ein-Aus-Strömungsbereiche 384 auf dem Separator 264A und der gemeinsame Bereich 382 und die Ein-Aus-Strömungsbereiche 384 auf dem Separator 264B weisen die ähnliche konkav-konvexe Struktur in Bezug auf jene des gemeinsamen Bereichs 382 auf dem Separator 264A auf.
Wie in 10 gezeigt ist, sind die vorstehenden Elemente 364 und die Konkaven 348 mit einer im Wesentlichen identischen Kreisform oder die vorstehenden Elemente 366 und die Konkaven 368 mit einer im Wesentlichen identischen Kreisform in regelmäßigen Intervallen in den gemeinsamen Bereichen 382 und in den Ein-Aus-Strömungsbereichen 384 auf dem Separator 264A oder auf dem Separator 264B angeordnet. Die vorstehenden Elemente 346 oder 366 und die Konkaven 348 oder 368 sind alternierend in identischen Intervallen in sowohl der horizontalen Richtung als auch der vertikalen Richtung ausgebildet. Die vorstehenden Elemente 364 und 366 und die Konkaven 348 und 368 sind im gleichen Muster auf den einander gegenüberliegenden Flächen der jeweiligen Separatoren 264A und 264B angeordnet, so dass sie in der Anordnung der Einheit-Brennstoffzelle einschließlich der Separatoren 264A und 264B überlappt werden. Wie in 15 gezeigt ist, sind die Oberseiten der vorstehenden Elemente 346, die auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264A ausgebildet sind, an spezifischen Positionen angeordnet, um die Oberseiten der vorstehenden Elemente 366 zu überlappen, die auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264B entlang der Elektrolytanordnung 250 ausgebildet sind. Die Oberseiten der vorstehenden Elemente 358, die auf der einen Kühlmittelströmungsweg ausbildenden Fläche des Separators 264A in einer Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind, stehen mit den Oberseiten der vorstehenden Elemente 378 in Kontakt, die auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264B in einer benachbarten Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind. Die gemeinsamen Bereiche 382 und die Ein-Aus-Strömungsbereiche 384 der jeweiligen Separatoren 264A und 264B weisen eine Referenzebene auf, die hervorragen soll oder zu einer Konkave geformt werden soll. In dem Brennstoffzellenstapel, der durch Schichten von Separatoren und Elektrolytanordnungen hergestellt wird, ist die Referenzebene auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche von einer Kontaktebene eines benachbarten Separators um einen voreingestellten Abstand entfernt eingestellt, während die Referenzebene auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche von einer Kontaktebene der benachbarten Elektrolytanordnung 250 um einen vorher festgelegten Abstand entfernt eingestellt ist. In 15 ist die Position der Referenzebene durch die unterbrochene Linie gezeigt, und die Position der Kontaktebene auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Seite zwischen den Separatoren ist durch die Ein-Punkt-Strichlinie angezeigt.
Im Folgenden erfolgt eine Beschreibung einer Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur zur Verhinderung einer Leckströmung der Gasströmung zwischen Unterteilungsbereichen des Gasströmungswegs, der auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche eines jeweiligen Separators 264A oder 264B in dem Brennstoffzellenstapel der Ausführungsform ausgebildet ist. In der fünften Ausführungsform ist die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur in der Nähe des erweiterten Endes eines jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträgers vorgesehen, um eine Leckströmung der Gasströmung zwischen benachbarten Unterteilungsbereichen über den Abstand vom Harzrahmen zu verhindern.
16 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Bereich Y darstellt, der durch die unterbrochene Linie in 10(A) umkreist ist. In dem Zustand von 16 wird eine Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341 nach Anbringen des Harzrahmens 270A am Separator 264A gebildet.
Wie in 16 gezeigt ist, besteht ein Zwischenraum zwischen einem Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342, das sich zum Umfang des Leistungserzeugungsbereichs 340 auf dem Separator 264A erstreckt, und dem Innenumfang der mittigen Öffnung 330, die im Harzrahmen 270A ausgebildet ist. Das Teilungslinienkonvex 342 ist so ausgebildet, dass es geringfügig kürzer ist, indem eventuelle Fertigungsfehler in Betracht gezogen werden, um zu verhindern, dass der Harzrahmen 270A auf dem erweiterten Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 in einer Anordnung des Brennstoffzellenstapels angeordnet wird. In der Struktur dieser Ausführungsform weist das erweiterte Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 eine stiefelförmige Erweiterung 343 auf, die entlang dem Innenumfang der mittigen Öffnung 330 ausgebildet ist. In einer Anordnung des Brennstoffzellenstapels ist die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341 ausgebildet, damit sie den Zwischenraum zwischen dem erweiterten Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 und dem Harzrahmen 270A ausfüllt. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341 wird bereitgestellt, indem der Zwischenraum zwischen der Erweiterung 343 des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 und dem Harzrahmen 270A mit einem flüssigen Klebstoff befüllt wird. Die jeweiligen Enden des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 des Separators 264A und des Teilungslinien-Konvexes 362 des Separators 264B, das sich in Richtung des Umfangs des Leistungserzeugungsbereichs 340 erstreckt, weisen Erweiterungen in der gleichen stiefelartigen Form auf. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstrukturen sind in der Nähe dieser erweiterten Enden vorgesehen.
Wie vorstehend beschrieben ist in dem Brennstoffzellenstapel der Ausführungsform zumindest ein Teilungslinienkonvex ausgebildet und auf einer Fläche eines jeweiligen Separators angeordnet, um mehrere Unterteilungsbereiche über zumindest einen gemeinsamen Bereich in Reihe zu verbinden. Die mehreren Unterteilungsbereiche werden durch Teilen eines Leistungserzeugungsbereichs durch das Teilungslinienkonvex ausgebildet. Die mehreren linearen Unterteilungsbereichskonvexe sind in den mehreren Unterteilungsbereichen ausgebildet, um parallel zum Teilungslinienkonvex zu verlaufen und so dass beide Enden vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs entfernt sind. Es sind mehrere lineare Kühlmittelströmungskonvexe auf der anderen Fläche des Separators als die rückseitige Struktur der ersten konkav-konvexen Struktur einschließlich der Gasströmungsweg-Teilungsträger und der linearen Unterteilungsbereichskonvexe ausgebildet. Die mehreren linearen Kühlmittelströmungskonvexe sind parallel zu den Gasströmungsweg- Teilungsträgern angeordnet und ihre beiden Enden sind vom Umfang des Leistungserzeugungsbereich entfernt. Der Separator ist beispielsweise eine Blechplatte, die pressgeformt ist, so dass sie die beiden zueinander umgekehrten Strukturen auf ihren beiden Flächen aufweist. Eine Fläche des Blechmetallseparators bildet einen Serpentinenströmungsweg einschließlich mehrerer gerader Abschnitte für die lineare Strömung des Reaktionsgases und zumindest einen klappbaren Abschnitt zur Umkehrung der Strömung des Reaktionsgases. Die mehreren geraden Abschnitte sind seriell miteinander verbunden, um den Serpentinenströmungsweg als Ganzes zu bilden. Die andere Fläche des Blechseparators bildet einen Kühlmittelströmungsweg für die gerade Strömung des Kühlmittels parallel zur geraden Strömung des Reaktionsgases durch die geraden Abschnitte des Serpentinenströmungswegs. Diese Anordnung bildet gleichzeitig den Strömungsweg des Reaktionsgases mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsweg des Kühlmittels mit dem geringen Druckverlust als die zueinander umgekehrten Strukturen auf den beiden Flächen des Separators aus.
Wie der Separator 264B, der in 11(A) gezeigt ist, teilt die Bildung des einen Gasströmungsweg-Teilungsträgers den Leistungserzeugungsbereich in zwei Unterteilungsbereiche und erreicht eine serielle Verbindung der beiden Unterteilungsbereiche über einen gemeinsamen Bereich einschließlich des ersten Raums zwischen dem anderen Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs. Wie der Separator 264A, der in 10(A) gezeigt ist, teilt die Bildung von mehreren Gasströmungsweg- Teilungsträgern den Leistungserzeugungsbereich in mehrere Unterteilungsbereiche und erreicht eine serielle Verbindung der mehreren Unterteilungsbereiche über mehrere gemeinsame Bereiche. Zu diesem Zweck sind mehrere lineare Unterteilungsbereichkonvexe in den jeweiligen Unterteilungsbereichen so ausgebildet, dass sie parallel zueinander sind und dass sie ihre Längsachsen in der horizontalen Richtung sind. Die mehreren linearen Unterteilungsbereichskonvexe sind in der vertikalen Richtung aufeinanderfolgend angeordnet, wobei die Richtung ihrer erweiterten Enden in Richtung des Umfangs des Leistungserzeugungsbereichs abwechselnd geändert wird.
In jeder Einheit-Brennstoffzelle der fünften Ausführungsform sind die linearen Unterteilungsbereichskonvexe mit spezifischer Regelmäßigkeit in den jeweiligen Unterteilungsbereichen ausgebildet und in der ersten konkav-konvexen Struktur angeordnet, um lineare Phantom-Unterteilungsbereiche zu überlappen, die in regelmäßigen Intervallen ohne Gasströmungsweg-Teilungsträger gebildet werden sollen. Selbst wenn der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator unterschiedliche Konfigurationen der Gasströmungsweg-Teilungsträger (unterschiedliche Zahlen und/oder unterschiedliche Positionen der Gasströmungsweg-Teilungsträger) aufweisen, ermöglicht eine derartige Anordnung der linearen Unterteilungsbereichskonvexe an den entsprechenden Positionen auf den beiden Separatoren, das die linearen Unterteilungsbereichskonvexe, die auf den jeweiligen Separatoren ausgebildet sind, miteinander überlappend entlang der Elektrolytanordnung in Kontakt sind. Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe sind ähnlich wie die rückseitige Struktur der ersten konkav-konvexen Struktur auf der Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche eines jeweiligen Separators ausgebildet und angeordnet. Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe, die auf den Separatoren in benachbarten Einheit-Brennstoffzellen ausgebildet sind, stehen somit überlappend in Kontakt zueinander. Der Überlappungskontakt der linearen Unterteilungsbereichskonvexe entlang der Elektrolytanordnung und der Überlappungskontakt der linearen Kühlmittelströmungskonvexe reduziert wünschenswerterweise den Kontaktwiderstand in dem Brennstoffzellenstapel (verbessert die Leistungsaufnahmefähigkeit) und sichert die Festigkeit gegenüber einer extern angreifenden Kraft, die in der Schichtungsrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgeübt wird. Dadurch wird die Gesamtsteifigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels verbessert. Der Überlappungskontakt der linearen Kühlmittelströmungskonvexe erhöht die Strömungskanal-Querschnittsfläche des im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungswegs, der jeweils durch ein Paar von benachbarten Separatoren definiert ist. Dadurch wird der Druckverlust in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungsweg verringert und der Energieverbrauch durch Zusatzgeräte reduziert, die eine Pumpe zum Zuführen des Kühlmittels in den im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungsweg umfassen.
In der Struktur der fünften Ausführungsform überlappt ein jeweiliges Teilungslinienkonvex, das auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche von einem Separator ausgebildet ist, zwei lineare Unterteilungsbereichskonvexe, die auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des gegenüberliegenden Separators entlang der Elektrolytanordnung ausgebildet sind. Selbst wenn der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator Gasströmungsweg-Teilungsträger an unterschiedlichen Position aufweisen, stellt die gegenseitige Unterstützung zwischen den Gasströmungsweg- Teilungsträgern und den gegenüberliegenden linearen Unterteilungsbereichskonvexen entlang der Elektrolytanordnung die verbesserte Leistungsaufnahmeeigenschaft, die hohe Festigkeit und die ausreichende Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels sicher. Die Gasströmungsweg-Teilungsträger weisen eine größere Breite als die Breite der linearen Unterteilungsbereichskonvexe auf. Das breitere Teilungslinienkonvex verhindert effektiv eine Leckströmung der Gasströmung zwischen den Unterteilungsbereichen, die durch das Teilungslinienkonvex geteilt sind. Diese Anordnung bewirkt keine partielle Verringerung der Gasströmungsrate in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungsweg aufgrund der Gasleckströmung und sorgt für Beibehaltung der im Wesentlichen einheitlichen Gasströmungsrate in dem jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Gasströmungsweg über dem gesamten Leistungserzeugungsbereich, wodurch eine ausreichende Leistungserzeugungsleistung sichergestellt wird.
Die Breite des breiteren Gasströmungsweg-Teilungsträgers, das auf einem jeweiligen Separator ausgebildet ist, kann nicht gleich der Gesamtbreite der beiden linearen Unterteilungsbereichskonvexe sein, die auf dem gegenüberliegenden Separator ausgebildet sind. Der Stützeffekt durch die Konvexe, die auf den gegenüberliegenden Flächen ausgebildet sind, kann durch die eine beliebige Breite aufweisenden Gasströmungsweg-Teilungsträger erreicht werden, die zumindest ein lineares Unterteilungsbereichskonvex abdeckt. Die Breite W5 der Oberseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers, das auf einer Fläche ausgebildet ist, kann die Oberseiten von „n“ linearen Unterteilungsbereichskonvexen bedecken, die auf der gegenüberliegenden Fläche ausgebildet sind. Dies wird nachstehend durch Gleichung (2) ausgedrückt: $W 5 = W 1 \times n + W 2 \times (n - 1)$
wobei W1 die Breite der Oberseite eine jeweiligen linearen Unterteilungsbereichskonvexes darstellt, und W2 die Teilung der linearen Unterteilungsbereichskonvexe darstellt.
Die Breite eines jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträgers kann größer sein als die Gesamtbreite einer vorher festgelegten Anzahl von gegenüberliegenden linearen Unterteilungsbereichskonvexen. Die größere Breite der Gasströmungsweg-Teilungsträger weist den stärkeren Effekt des Verhinderns einer Leckströmung der Gasströmung zwischen benachbarten Unterteilungsbereichen auf.
Mit Blick auf die Verhinderung der potentiellen Gasströmung zwischen den Unterteilungsbereichen kann die Höhe eines jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträgers in der Schichtrichtung bzw. Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (d. h. die Höhe in der Richtung der Dicke eines jeweiligen Separators) größer sein als die Höhen der anderen Konvexe (der mehreren linearen Unterteilungsbereichskonvexe und der großen Anzahl von vorstehenden Elementen in der Struktur der fünften Ausführungsform), die in der ersten konkav-konvexen Struktur beinhaltet sind und mit der Elektrolytanordnung 250 in Kontakt stehen. Diese Anordnung erhöht den Kontaktdruck der Gasströmungsweg-Teilungsträger gegenüber der Elektrolytanordnung 250, wodurch der Effekt der Verhinderung der potentiellen Gasleckströmung verbessert wird.
In der Struktur der fünften Ausführungsform weisen alle Gasströmungsweg-Teilungsträger, die linearen Unterteilungsbereichskonvexe und die linearen Kühlmittelströmungskonvexe flache Oberseiten von vorher festgelegten Breiten auf. Die flachen Oberseiten der Konvexe sichern genügend Kontaktfläche gegen die jeweiligen angrenzenden Elemente. Die flachen Oberseiten dieser Konvexe sind jedoch nicht von essentieller Bedeutung. Durch die Bildung der jeweiligen Konvexe ohne flache Oberseiten in spezifischer Regelmäßigkeit und Stapelung der Separatoren, um die gegenseitige Überlappung der Gasströmungsweg-Teilungsträger mit den linearen Unterteilungsbereichskonvexen entlang der Elektrolytanordnung 250 in einer jeden Einheit-Brennstoffzelle zu erreichen und um den direkten Kontakt der linearen Kühlmittelströmungskonvexe in benachbarten Einheit-Brennstoffzellen zu erreichen, werden dennoch vorteilhafte Effekte bezüglich Leistungsaufnahmefähigkeit, Festigkeit und Steifigkeit erreicht.
In dem Brennstoffzellenstapel dieser Ausführungsform sind die vorstehenden Elemente, die in den gemeinsamen Bereichen und den Ein-Aus-Strömungsbereichen auf den jeweiligen Gasströmungsweg bildenden Flächen des anodenseitigen Separators und des kathodenseitigen Separators ausgebildet sind, überlappend entlang der Elektrolytanordnung miteinander in Kontakt. Die vorstehenden Elemente, die in den rückseitigen Bereichen (entsprechend den gemeinsamen Bereichen und den Ein-Strömungsbereichen) auf den jeweiligen Kühlmittelströmungsweg bildenden Flächen des anodenseitigen Separator und des kathodenseitigen Separator in benachbarten Einheit-Brennstoffzellen gebildet sind, stehen überlappend in direktem Kontakt zueinander. Diese Anordnung verbessert auch die Leistungsaufnahmefähigkeit, die Festigkeit und die Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels. Die vorstehenden Elemente in den gemeinsamen Bereichen, die Ein-Aus-Strömungsbereiche und die entsprechenden Bereiche auf der Rückseite vermengen wünschenswerterweise die Strömung des Reaktionsgases und die Strömung des Kühlmittels, bevor sie in den Gasströmungsweg der Unterteilungsbereiche und in den Kühlmittelströmungsweg durch die linearen Kühlmittelströmungskonvexe strömen. Diese Anordnung verbessert die Strömungsverteilung des Reaktionsgases in die jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Gasströmungswege (d. h. die Einheitlichkeit der Verteilung der Gasströmung über dem gesamten Gasströmungsweg) sowie die Strömungsverteilung des Kühlmittels in die jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungswege, wodurch eine bessere Zellenleistung erreicht wird. Der gegenseitige Kontakt der vorstehenden Elemente, die auf den gegenüberliegenden Kühlmittelströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Separatoren gebildet sind, vergrößert die Strömungskanal-Querschnittsfläche eines jeweiligen im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungswegs. Dadurch wird der Druckverlust in dem Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungsweg verringert und der Energieverbrauch durch Zusatzgeräte, die eine Pumpe zum Zuführen des Kühlmittels in den im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungsweg umfassen, reduziert.
In der Struktur der fünften Ausführungsform unterteilen drei Gasströmungsweg-Teilungsträger, die auf dem anodenseitigen Separator 264A gebildet sind, den Leistungserzeugungsbereich in vier Unterteilungsbereiche. Ein Teilungslinienkonvex, das auf dem kathodenseitigen Separator 264B gebildet ist, unterteilt den Leistungserzeugungsbereich in zwei Unterteilungsbereiche. Die Anzahl der Gasströmungsweg-Teilungsträger (d. h. die Anzahl der Unterteilungen des Leistungserzeugungsbereichs) sind jedoch nicht auf diese Werte beschränkt, sondern können willkürlich gesetzt werden.
In der Struktur dieser Ausführungsform sind die Öffnungen zur Bildung des Reaktionsgas-Zuführverteilers und des Reaktionsgas-Abführverteilers in einer Stapelung der Einheit-Brennstoffzelle entlang der Seiten senkrecht zur Längsachse der Gasströmungsweg-Teilungsträger (entlang der Seiten 300 und 305 in der vertikalen Richtung) bereitgestellt. Diese Anordnung reduziert wünschenswerterweise die Größe der Brennstoffzellenstapels in der Richtung der senkrechten Seiten. Es ist wünschenswert, eine gerade Anzahl von Gasströmungsweg-Teilungsträgern und eine ungerade Anzahl von Gasströmungsweg-Teilungsträgern in den jeweiligen ersten konkav-konvexen Strukturen von sowohl dem anodenseitigen Separator als auch dem kathodenseitigen Separator zu bilden. Dadurch wird die identische Positionsbeziehung des Gaszuführungsverteilers und des Gasabführverteilers, die auf der selben Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten in Bezug auf sowohl die Brenngasströmung als auch die Oxidationsgasströmung gebildet sind, ermöglicht, wodurch eine wirksame Anordnung der jeweiligen Gasverteiler erreicht wird.
In der Struktur dieser Ausführungsform weist der anodenseitige Separator 264A eine größere Anzahl von Gasströmungsweg-Teilungsträgern und dementsprechend eine größere Anzahl von Unterteilungsbereichen auf als der kathodenseitige Separator 264B. Wenn ein Wasserstoffgas von hoher Reinheit und Luft jeweils als das Brenngas und das Oxidationsgas verwendet werden, ist die Soll-Strömungsrate des Brenngases, das dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden soll, geringer als die Soll-Strömungsrate des Oxidationsgases. Der Wasserstoff weist ein erheblich geringeres Molekulargewicht auf als das von Sauerstoff, so dass das Oxidationsgas im Allgemeinen die höhere Strömungsrate aufweist. Die größere Anzahl von Unterteilungsbereichen auf der Anodenseite verringert die Strömungskanalquerschnittsfläche des Strömungswegs und erhöht dementsprechend die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Kühlmittelströmungsweg. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases erhöht die Gasnutzungsrate und verbessert die Leistung der Brennstoffzellen, während die Ableitung aus dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungsweg verbessert wird.
In der Struktur der fünften Ausführungsform strömt das Brenngas abwärts in der vertikalen Richtung auf der Fläche des Separators, wohingegen das Oxidationsgas aufwärts in der vertikalen Richtung auf der Fläche des Separators strömt. Das Brenngas und das Oxidationsgas strömen dementsprechend in entgegengesetzte Richtungen. Insbesondere sorgen bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen die zueinander entgegengesetzten Gasströmungen dafür, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Gase ohne zusätzliche Befeuchtung auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Die Gasströmung weist in der stromabwärtigen Richtung in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungsweg den höheren Wassergehalt auf. Da im Leistungserzeugungsprozess Wasser auf der Kathodenseite erzeugt wird, ist diese Tendenz auf der Kathodenseite stärker ausgeprägt. In den Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen wird Wasser durch die Festpolymerelektrolytmembran gemäß der Differenz im Wasserdampfdruck zwischen den jeweiligen Seiten der Festpolymerelektrolytmembran übertragen. Die Bildung der zueinander entgegengesetzten Gasströmungen bewirkt, dass stromabwärts des Oxidationsgasströmungswegs und stromauf des Brenngas-Strömungswegs ein größerer Wasserdampfdruckunterschied benachbart zueinander entlang der Elektolytmembran vorhanden ist. Dies ermöglicht eine Übertragung des Wassergehalts stromabwärts des Oxidationsgasströmungswegs nach stromauf des Brenngasströmungswegs. Die stromauf gerichtete Strömung des Oxidationsgases mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit und die stromabwärtige Strömung des Brenngases mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit in der vertikalen Richtung machen sich die Schwerkraft zunutze und verbessern die Abführung selbst in dem Brenngasströmungsweg mit der geringeren Gasströmungsgeschwindigkeit.
In dieser Ausführungsform weist die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators, die als die Umkehrung der konkav-konvexen Struktur ausgebildet ist, sowohl die Gasströmungsweg-Teilungsträger als auch die linearen Unterteilungsbreichskonvexe auf. Bei einer möglichen Modifizierung können die Gasströmungsweg-Teilungsträger nicht in der ersten konkav-konvexen Struktur beinhaltet sein, sondern können anhand von einer leitfähigen Basisplatte mit der ersten konkav-konvexen Struktur und der zweiten konkav-konvexen Struktur getrennt voneinander ausgebildet sein. In dieser Modifizierung wird eine leitfähige Basisplatte so präpariert, dass sie lineare Unterteilungsbereichskonvexe auf einer Fläche und lineare Kühlmittelströmungskonvexe auf der anderen Fläche aufweist, und es wird zumindest separat bereitgestelltes Teilungslinienkonvex zwischen zumindest einem Paar von ausgewählten linearen Unterteilungsbereichskonvexen auf der Basisplatte befestigt. Diese modifizierte Struktur bildet auch einen Serpentinengasströmungsweg einschließlich einer oder mehrere klappbarer Abschnitte und gerader Kühlmittelströmungswege auf den jeweiligen Flächen der Basis platte aus und bewirkt ähnliche Effekte wie jene der fünften Ausführungsform, die vorstehend beschrieben wurde. Die separat bereitgestellten Gasströmungsweg-Teilungsträger sind vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Diese Anordnung reduziert wirksam den Innenwiderstand der Brennstoffzellen und verbessert die Leistung der Brennstoffzellen.
In dem Brennstoffzellenstapel der fünften Ausführungsform ist die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341 bereitgestellt und füllt den Zwischenraum zwischen dem erweiterten Ende eines jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs oder dem Innenumfang des Harzrahmens aus. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341 verhindert wirksam eine potentielle Leckströmung der Gasströmung zwischen den Unterteilungsbereichen durch den Zwischenraum. Dadurch wird eine partielle Verringerung der Gasströmungsrate verhindert und eine ausreichende Gasströmungsrate über den gesamten im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungsweg beibehalten. Das erweiterte Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 weist die stiefelförmige Erweiterung 343 auf, die entlang dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs gebildet ist. Die Erweiterung 343 erhöht den Druckverlust im Zwischenraum und verbessert in Kombination mit der Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur aus Klebstoff, den Effekt der Verhinderung der potentiellen Gasleckströmung über den Zwischenraum.
Die gemeinsamen Bereiche auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators weisen vorstehende Elemente und Konkaven auf, die in regelmäßigen Intervallen als umgekehrte Struktur der Konkaven und vorstehenden Elemente der Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche angeordnet sind. Ein Abschnitt des gemeinsamen Bereichs in der Nähe der Erweiterung 343 eines jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 weist kein derartiges vorstehendes Element oder Konkav auf, um eine Befüllung mit Klebstoff zu vereinfachen. Die Erweiterung 343 des Gasströmungsweg-Teilungsträgers 342 besetzt nur ein kleines Feld des gemeinsamen Bereichs und verringert den effektiven Bereich der Reaktionsgasströmung zur Leistungserzeugung nicht wesentlich.
In dem Brennstoffzellenstapel der fünften Ausführungsform ist die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur aus Klebstoff gemacht. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur ist jedoch nicht auf Klebstoff beschränkt, sondern kann aus einem anderen geeigneten Material gefertigt sein. 17 zeigt ein modifiziertes Beispiel einschließlich einer anderen Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur. In diesem modifizierten Beispiel ist eine Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341A aus einer bestimmten Form mit im Wesentlichen der gleichen Dicke wie der des Harzrahmens aus einem elastischen Material wie Gummi oder Harz gefertigt und ist separat vom Harzrahmen bereitgestellt. Der Harzrahmen weist Ausschnitte 341B zum Aufnehmen der Gasleckströmungs-Verhinderungsstrukturen 341A auf, die darin an Positionen nahe an den erweiterten Enden der in Stapelung angeordneten jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 eingepasst sein sollen. 17(B) zeigt den Harzrahmen 270A mit den Ausschnitten 341B. 17(A) zeigt den Harzrahmen 270A mit der Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341A, die in den Ausschnitt 341B eingepasst ist, die auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators 264A angelegt ist. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341A kann aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Isoliermaterial gefertigt sein. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur 341A kann nach Anbringen des Harzrahmens an dem Separator oder vor dem Anbringen des Harzrahmens am Separator in den Harzrahmen eingesetzt werden.
Die Positionen der Ausschnitte, die in dem Harzrahmen zum Aufnehmen der Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur ausgebildet sind, die darin eingepasst ist, sollen für die Aufbringung des Klebstoffs zur Sicherung der Gasabdichtungseigenschaft und zum Befestigen des Harzrahmens am Separator Anwendung finden. In einer Anordnung des Brennstoffzellenstapels wird durch die Aufbringung des Klebstoffs auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs des Separators eine Befestigung der Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur gleichzeitig mit der Anbringung des Harzrahmens am Separator erreicht. Im Gegensatz zur Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur, die aus Klebstoff gefertigt ist, wie in 16 gezeigt ist, haftet die als separates Element vom Harzrahmen bereitgestellte Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur nicht an der Elektrolytanordnung, die auf dem Harzrahmen, der sich auf dem Separator befindet, angelegt ist. Selbst wenn die Festpolymer-Elektrolytmembran der Elektrolytanordnung während des Betriebs ausgedehnt wird, liegt aufgrund der anhaftenden Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur keine unerwünschte Spannung vor, die auf die Elektrolytmembran einwirkt.
Der Gasseparator der Ausführungsform kann auf die Brennstoffzellen einer weiteren Konfiguration angewendet werden, die keine Harzrahmen, sondern Packungen oder Klebstoff als Abdichtungselemente zur Sicherung der Gasabdichtungseigenschaften verwenden. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur dieser Ausführungsform kann auch in den Brennstoffzellen dieser modifzierten Konfiguration ohne Harzrahmen bereitgestellt sein. In dieser modifizierten Konfiguration sind die Abdichtungselemente auf zumindest einem Teil des Umfangs des Leistungserzeugungsbereichs zwischen der Elektrolytanordnung und dem Separator bereitgestellt, um die Gasabdichtungseigenschaft in dem Reaktionsgas-Strömungsweg sicherzustellen. Die Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur kann ausgebildet sein, um den Zwischenraum zwischen einem Ende eines jeweiligen Gasströmungsweg-Teilungsträgers und dem Abdichtungselement zu füllen und den Effekt zum Verhindern der potentiellen Gasleckströmung zu erreichen.
Wie in 10 und 11 gezeigt ist, weisen in dem Brennstoffzellenstapel der fünften Ausführungsform die Unterteilungsbereiche 380, die auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators ausgebildet sind, praktische identische Breiten auf. Der im Inneren der Einheit-Zelle angeordnete Gasströmungsweg weist dementsprechend eine praktisch festgelegte Strömungskanal-Querschnittsfläche von der Verbindung mit dem Gaszuführungsverteiler bis zur Verbindung mit dem Gasabführungsverteiler auf. Die Breite der Unterteilungsbereiche 380 kann alternativ auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators variiert werden. In dem in 18 dargestellten Beispiel ist die Breite der Unterteilungsbereiche 380 graduell in der stromabwärtigen Richtung des Gasströmungswegs auf dem anodenseitigen Separator verschmälert. 18 zeigt nur die Gasströmungsweg-Teilungsträger 342 als Teil der ersten konkav-konvexen Struktur, und auf die Darstellung der linearen Unterteilungsbereichskonvexe und der vorstehenden Elemente wird zur Erleichterung des Verständnisses verzichtet. Durch die Ausbildung von schmäleren Unterteilungsbereichen 380 in der stromabwärtigen Richtung des Gasströmungswegs wird die Strömungskanal-Querschnittsfläche von der Richtung stromauf zur Richtung stromabwärts des im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Gasströmungswegs verringert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Gasströmungsweg allmählich zunimmt. In der stromabwärtigen Richtung des Reaktionsgas-Strömungswegs verbraucht die Zellreaktion die größere Menge des Reaktionsgases oder aktiven Elektrodenmaterials (Wasserstoff oder Sauerstoff), um so die Strömungsrate des Reaktionsgases zu verringern. Die allmählich verringerte Breite der Unterteilungsbereiche 380 erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases in der stromabwärtigen Richtung und stellt eine ausreichenden Zellenleistung sicher. Das Reaktionsgas weist den größeren Wassergehalt in der stromabwärtigen Richtung des Gasströmungswegs auf. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases in der stromabwärtigen Richtung verbessert die Abführung in der stromabwärtigen Richtung und verhindert somit eine potentielle Verschlechterung der Zellenleistung aufgrund einer Ansammlung von Wasser. In der Struktur mit den Unterteilungsbereichen mit der schmäleren Breite in der stromabwärtigen Richtung können die Gasströmungsweg-Teilungsträger 342, die stromabwärts (auf der unteren Seite in der vertikalen Richtung in der Struktur der Ausführungsform) angeordnet sind, den kürzeren Abstand zwischen den anderen Ende und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs aufweisen. Die Abstände können genauer gesagt die Beziehung D1 >D2 > D3 aufweisen, wie in 18 gezeigt ist. Diese Anordnung verbessert ferner den Effekt der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der stromabwärtigen Richtung über den gesamten im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Gasströmungsweg.
In dem Separator der fünften Ausführungsform weist jeder Unterteilungsbereich mehrere lineare Unterteilungsbereichskonvexe auf. Die linearen Unterteilungsbereichskonvexe können jedoch durch Konvexe einer anderen geeigneten Form ersetzt werden, die ermöglicht, dass die Gasströmung im Unterteilungsbereich parallel zum Teilungslinienkonvex strömt. Als eine mögliche Modifizierung kann ein jeweiliges lineares Unterteilungsbereichskonvex, das sich kontinuierlich von einem Ende des Unterteilungsbereichs zum anderen Ende in der Längsrichtung erstreckt, durch mehrere einzelne kurze Konvexe ersetzt werden. Diese einzelnen kurzen Konvexe sind entlang der Linie des linearen Unterteilungsbereichskonvexes angeordnet und entsprechen der Form des linearen Unterteilungsbereichskonvexes, wobei mehrere Aspekte ausgelassen wurden. Ein Beispiel dieser modifizierten Struktur ist in 19(A) beschrieben. Als eine weitere mögliche Modifizierung kann eine jeweiliges lineares Unterteilungskonvex durch eine große Anzahl vorstehenden Elementen ersetzt werden, die den vorstehenden Bereichen 346 und 366 ähnlich sind und entlang der Linie des linearen Unterteilungsbereichskonvexes angeordnet sind. Ein Beispiel für diese modifizierte Struktur ist in 19(B) gezeigt. Die Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators kann diese Konvexen aufweisen, die parallel zum Teilungslinienkonvex, entfernt vom Umfang des Leistungserzeugungsbereichs, und entlang der Linie eines jeweiligen linearen Unterteilungsbereichskonvexes angeordnet sind. Die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators kann lineare Kühlmittelströmungskonvexe aufweisen, die an den Positionen, die mit den Konvexen auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche nicht interferieren, und im Wesentlichen parallel zu den Gasströmungsweg-Teilungsträgern als die umgekehrte Form der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind. Die als Teil der ersten konvex-konkaven Struktur gebildeten Konvexe, die mit einer bestimmten Regelmäßigkeit im Leistungserzeugungsbereich der jeweiligen Gasströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Separatoren angeordnet sind, stehen in der Elektrolytanordnung in einer Einheit-Brennstoffzelle miteinander in Kontakt. Die als Teil der zweiten konkav-konvexen Struktur in den jeweiligen Kühlmittelströmungsweg bildenden Flächen der benachbarten Separatoren gebildeten Konvexe sind in direktem Kontakt zueinander in den benachbarten Einheit-Brennstoffzellen. Die kontinuierlich erweiterten linearen Unterteilungsbereichskonvexe der fünften Ausführungsform erhöhen vorteilhafterweise die Kontaktfläche des Separators mit dem benachbarten Element und reduzieren dementsprechend den Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels. Ein weiterer Vorteil dieser Struktur ist eine einfache Strömung von flüssigem Wasser in die stromabwärtige Richtung in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Gasströmungsweg, um eine vorteilhafte Ableitung im Gasströmungsweg zu erreichen. Eine Bildung der mehreren kurzen Konvexe, die ein jeweiliges lineares Unterteilungsbereichskonvex ersetzen, wie beim Beispiel von 19(A) oder dem Beispiel von 19(B), verbessert vorteilhafterweise die Gasdiffusionseigenschaft in dem im Inneren der Einheit-Zelle angeordneten Brenngas-Strömungsweg, um so die Gasnutzungsrate zu erhöhen.
Desgleichen können die linearen Kühlmittelströmungskonvexe auf der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche durch Konvexe einer anderen geeigneten Form ersetzt werden, die die Strömung des Kühlmittels parallel zum Teilungslinienkonvex ermöglicht. Die linearen Kühlmittelströmungskonvexe können beispielsweise durch die kürzeren Konvexe ersetzt werden, die in 19(A) gezeigt sind, oder durch die vorstehenden Elemente, die in 19(B) gezeigt sind.
Auf die vorstehenden Elemente, die in den gemeinsamen Bereichen und in den Ein-Aus-Strömungsbereichen in der fünften Ausbildungsform ausgebildet sind, kann wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform bei der Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators verzichtet werden. Das Vorhandensein des zweiten Raums zwischen dem Ende eines jeweiligen linearen Unterteilungsbereichskonvexes und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs in der Ein-Aus-Strömungsbereichen auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ermöglicht, dass das Reaktionsgas, das in den Leistungserzeugungsbereich eingeführt wird, in die Gasströmungswege verteilt wird, die durch die linearen Unterteilungsbereichskonvexe definiert sind, während ermöglicht wird, dass das Abgas von den jeweiligen Gasströmungswegen, die durch die linearen Unterteilungsbereichskonvexe definiert sind, zusammengeführt und nach außerhalb des Leistungserzeugungsbereichs abgeführt wird. Das Vorhandensein des zweiten Raums in den gemeinsamen Bereichen auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ermöglicht, dass das Reaktionsgas, das durch die Gasströmungswege strömt, die durch die linearen Unterteilungsbereichskonvexe definiert wird, in die umgekehrte Strömungsrichtung umgekehrt wird. Desgleichen kann auf die vorstehenden Elemente bei der einen Kühlmittelströmungsweg bildenden Fläche des Separators verzichtet werden.
Bei der fünften Ausführungsform wird der Brennstoffzellenstapel des Innenverteilertyps in Betracht gezogen, wobei die jeweiligen Separatoren und Harzrahmen Öffnungen zum Definieren der Verteiler zum Zuführen und Abführen der Reaktionsgase und des Kühlmittels aufweisen. Der erfindungsgemäße Separator mit den konkav-konvexen Strukturen ist auch auf einen Brennstoffzellenstapel des externen Verteilertyps mit Zuführungs- und Abführungsverteilern der Reaktionsgase und des Kühlmittels anwendbar, die außerhalb der Stapelstruktur ausgebildet sind.
Modifizierungen
Die vorstehend erörterten Ausführungsformen sind in allen Aspekten als veranschaulichend und nicht als einschränkend aufzufassen. Es können viele Modifizierungen, Veränderungen und Abänderungen vorgenommen werden, ohne dabei vom Schutzbereich der Haupteigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele für eine mögliche Modifizierung sind nachstehend angegeben.
F-1
In den Strukturen der Ausführungsformen weist der Separator mehrere gerade Gasströmungswege und mehrere gerade Kühlmittelströmungswege auf. Diese Gasströmungswege und Kühlmittelströmungswege können alternativ gekrümmt sein. Der Separator der Erfindung setzt mehrere lineare Gasströmungswege, die parallel zueinander gebildet sind, und mehrere lineare Kühlmittelströmungswege, die zu den mehreren linearen Gasströmungswegen umgekehrt sind, voraus.
F-2
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann es sich bei dem Separator mit den zueinander umgekehrten Strukturen auf dessen beiden Flächen um eine pressgeformte Blechplatte handeln oder eine pressgeformte Nicht-Blechplatte, die aus einem geeigneten Nicht-Metallmaterial wie flexiblem Karbon gefertigt ist. Die zueinander umgekehrten Strukturen sichern eine im Wesentlichen einheitliche Wanddicke. Der Separator dieser Struktur kann somit bei guter Bearbeitbarkeit durch eine beliebige andere Technik sowie durch Pressformtechnik gefertigt werden.
F-3
In den Strukturen der ersten bis fünften Ausführungsformen ist der zwischen den Einheit-Zellen verlaufende Kühlmittelströmungsweg zwischen jeweils einem Paar von benachbarten Einheit-Brennstoffzellen ausgebildet. Bei einer möglichen Modifizierung kann der zwischen den Einheit-Zellen verlaufende Kühlmittelströmungsweg nach einer Stapelung einer jeweils vorher festgelegten Anzahl von Einheit-Brennstoffzellen vorgesehen werden. In letzterem Fall wird die erfindungsgemäße Konfiguration auf Separatoren angewendet, bei denen die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche als die Rückseite der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche, die in Kontakt mit der Elektrolytanordnung steht, bereitgestellt wird.

Claims

Brennstoffzelle, die folgende Merkmale aufweist: eine Elektrolytanordnung; und einen Separator, der eine Fläche als eine einen Gasströmungsweg bildenden Fläche mit einem darauf ausgebildeten Gasströmungsweg aufweist, und die andere Fläche, die zu der einen Fläche umgekehrt ist, als eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mit einem darauf ausgebildeten Kühlmittelströmungsweg aufweist, wobei die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere lineare Gasströmungswege aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur, die die mehreren linearen Gasströmungswege in mehrere lineare Gasströmungsweggruppen unterteilt und zumindest einen Teil der mehreren linearen Gasströmungsweggruppen seriell verbindet, und wobei die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mehrere lineare Kühlmittelströmungswege aufweist, die als eine umgekehrte Struktur der mehreren linearen Gasströmungswege auf der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind, und eine Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur, die als eine umgekehrte Struktur der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet ist, um die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege parallel zu verbinden und wobei die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur einen Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) aufweist, um die mehreren linearen Gasströmungswege in die mehrzahligen linearen Gasströmungsweggruppen zu unterteilen, und wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er einen höheren Kontaktdruck gegen die Elektrolytanordnung aufweist als eine ein Kontaktdruck der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege, und wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er eine größere Höhe als eine Höhe der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) in einer Stapelungsrichtung der Elektrolytanordnung und des Separators aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur eine konkav-konvexe Form (26IC, 262C, 346, 366) aufweist, die von den mehreren linearen Gasströmungswegen getrennt ist und mit der Elektrolytanordnung in Kontakt steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur alle mehrzahligen linearen Gasströmungsweggruppen seriell verbindet.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, so dass er eine größere Kontaktbreite in Kontakt mit der Elektrolytanordnung aufweist als eine Kontaktbreite der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege, wobei die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators einen spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg aufweist, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) ausgebildet ist, und wobei die Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur ein Strömungsraten-Steuerungselement (262D) aufweist, das so ausgelegt ist, dass es eine Strömungsrate des Kühlmittels, das in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömt, einschränkt, um einer Strömungsrate des Kühlmittels nahe zu sein, das in die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege strömt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei das Strömungsraten-Steuerungselement (262D) der Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur ein Wehr aufweist, das außerhalb des spezifischen linearen Kühlmittelströmungswegs gebildet ist, um die Strömungsrate des Kühlmittels einzuschränken, das in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er eine größere Kontaktbreite in Kontakt mit der Elektrolytanordnung als eine Kontaktbreite von linearen Gasströmungsweg bildenden Trägern (212L, 344, 346) zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege aufweist, wobei die Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche des Separators einen spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg aufweist, der als die Rückseite des Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) gebildet ist, und wobei der spezifische lineare Kühlmittelströmungsweg so ausgelegt ist, dass er eine Strömungsrate des Kühlmittels, das in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömt, einschränkt, um einer Strömungsrate des Kühlmittels nahe zu sein, das in die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege strömt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei der Separator ein Strömungsraten-Steuerungselement (262E) aufweist, das an einer Innenwand des spezifischen linearen Kühlmittelströmungswegs angebracht ist, um die Strömungsrate des Kühlmittels einzuschränken, das in den spezifischen linearen Kühlmittelströmungsweg strömt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur ein Gleichrichterelement (263R) aufweist zum näherungsweise Angleichen einer Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases, das in die mehreren linearen Gasströmungswege strömt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Separator aus Metall gefertigt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei der Separator eine pressgeformte Blechplatte ist.
Separator für eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytanordnung umfasst, wobei der Separator folgende Merkmale aufweist: eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche, die mit der Elektrolytanordnung in Kontakt gelangt und mit dieser verbunden ist, um einen Gasströmungsweg auszubilden, um eine Strömung eines Reaktionsgases zu erlauben; und eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche, die umgekehrt zur Gasströmungsweg bildenden Fläche ist, um einen Kühlmittelströmungsweg auszubilden, um eine Strömung eines Kühlmittels zu erlauben, wobei die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere lineare Gasströmungswege aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur, die die mehreren linearen Gasströmungswege in mehrzahlige lineare Gasströmungsweggruppen unterteilt und zumindest einen Teil der mehrzahligen linearen Gasströmungsweggruppen seriell verbindet; und wobei die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mehrere lineare Kühlmittelströmungswege aufweist, die als eine umgekehrte Struktur der mehreren linearen Gasströmungswege auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet sind, und eine Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstruktur, die als eine umgekehrte Struktur der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur auf der Gasströmungsweg bildenden Fläche ausgebildet ist, um die mehreren linearen Kühlmittelströmungswege parallel zu verbinden, wobei die Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur einen Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) aufweist, um die mehreren linearen Gasströmungswege in die mehrzahligen linearen Gasströmungsweggruppen zu unterteilen, und wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er einen höheren Kontaktdruck gegen die Elektrolytanordnung aufweist als ein Kontaktdruck der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) zum Definieren der mehreren linearen Gasströmungswege, und wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in zumindest der Gasströmungsweg-Verbindungsstruktur so ausgelegt ist, dass er eine größere Höhe als eine Höhe der linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) in einer Stapelungsrichtung der Elektrolytanordnung und des Separators aufweist.
Gasseparator für eine Brennstoffzelle, wobei der Gasseparator folgende Merkmale aufweist: eine leitfähige Basisplatte; eine einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators, die auf einer Fläche der leitfähigen Basisplatte ausgebildet ist, um eine Teil einer Innenwand eines Reaktionsgasströmungswegs zu definieren, um eine Strömung eines Reaktionsgases zu erlauben; eine einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche, die auf der anderen Fläche der leitfähigen Basisplatte als Umkehrung der einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators gebildet ist, um einen Teil einer Innenwand eines Kühlmittelströmungswegs zu definieren, um eine Strömung eines Kühlmittels zu erlauben; und zumindest einen Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362), der auf der einen Fläche der leitfähigen Basisplatte vorgesehen ist, um durch einen Leistungserzeugungsbereich mit der darauf ausgebildeten einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators erweitert zu werden und um einen Teil der Innenwand des Reaktionsgasströmungswegs zu definieren, wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) ein Ende aufweist, das in Richtung einer ersten Position auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs erweitert ist, und das andere Ende von einer zweiten Position auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs entfernt ist, die sich von der ersten Position unterscheidet, wobei der Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) den Leistungserzeugungsbereich in mehrzahlige Unterteilungsbereiche unterteilt und die mehrzahligen Unterteilungsbereiche des Leistungserzeugungsbereiches seriell über einen gemeinsamen Bereich verbindet, der einen ersten Raum zwischen dem anderen Ende des Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs beinhaltet, wobei die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere einen linearen Gasströmungsweg bildende Träger (212L, 344, 346) aufweist, die in den mehrzahligen Unterteilungsbereichen auf der einen Fläche der leitfähigen Basisplatte ausgebildet sind und entlang mehrzahliger erster Linien angeordnet sind, die jeweils zwei Enden entfernt von dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs aufweisen, um so näherungsweise parallel zum Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) zu sein, wobei die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche ein Kühlmittelströmungskonvex aufweist, das auf der anderen Fläche der leitfähigen Basisplatte als eine umgekehrte Struktur eines Konkavs gebildet ist, das durch den Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) und einen der mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) definiert ist und entlang einer zweiten Linie angeordnet ist, die zwei Enden entfernt vom Umfang eines rückseitigen Bereichs aufweist, der dem Leistungserzeugungsbereich entspricht, um näherungsweise parallel zum Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) zu sein, und wobei der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) eine größere Höhe in einer Dickenrichtung des Gasseparators im Vergleich zu anderen Konvexen aufweist, die in der einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators beinhaltet sind.
Gasseparator nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) einstückig mit der einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators und der einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche auf der leitfähigen Basisplatte als ein Konvex ausgebildet ist, das ein Konkav als dessen umgekehrte Form definiert.
Gasseparator nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) separat von der leitfähigen Basisplatte ausgebildet ist und auf der einen Fläche der leitfähigen Basisplatte angeordnet ist.
Gasseparator nach Anspruch 14, wobei der zumindest eine Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) aus einem elektrische leitfähigen Material gefertigt ist.
Gasseparator nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei ein jeder der mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) zwischen den beiden Enden der ersten Linie kontinuierlich erweitert ist.
Gasseparator nach Anspruch 16, wobei ein jeder der mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) eine Oberseite einer voreingestellten ersten Länge aufweist, wobei die mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) in den mehrzahligen Unterteilungsbereichen in einem Intervall von einer zuvor festgelegten, zweiten Länge angeordnet sind, bei der es sich um einen Abstand zwischen den Oberseiten der benachbarten einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) handelt, und wobei die mehreren einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346) an Positionen von linearen Phantom-Gasströmungsweg-bildenden-Trägern in einer Phantomstruktur angeordnet sind, die mit einer Regelmäßigkeit in dem Intervall der vorher festgelegten, zweiten Länge über der gesamten einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators ohne den Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) gebildet werden sollen.
Gasseparator nach Anspruch 17, wobei die Oberseite des zumindest einen Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) eine Breite aufweist, die eine Oberseite eines linearen Phantom-Gasströmungsweg-bildenden-Trägers bedeckt, der anstelle des Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) gebildet werden soll und zwischen einem existierenden Paar von benachbarten einen linearen Gasströmungsweg bildenden Trägern (212L, 344, 346) positioniert sein soll, die entlang des Gasströmungsweg-Teilungsträgers (212B, 262B, 342, 362) in der Phantomstruktur mit den linearen Phantom-Gasströmungsweg-bildenden-Trägern angeordnet sind, die mit Regelmäßigkeit in dem Intervall der vorher festgelegten zweiten Länge über der gesamten einen Gasströmungsweg bildenden Fläche des Separators ohne den Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) gebildet werden sollen.
Gasseparator nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Kühlmittelströmungskonvex ein lineares Kühlmittelströmungskonvex ist, das kontinuierlich zwischen den beiden Enden der zweiten Linie erweitert ist.
Gasseparator nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die einen Gasströmungsweg bildende Fläche des Separators mehrere erste vorstehende Elemente (261) in dem gemeinsamen Bereich aufweist, der einen zweiten Raum zwischen einem Ende der einen linearen Gasströmungsweg bildenden Träger (212L, 344, 346), die auf der ersten Linie ausgebildet sind, und dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs beinhaltet; und wobei die einen Kühlmittelströmungsweg bildende Fläche mehrere, zweite vorstehende Elemente (261) aufweist, die an Positionen gebildet sind, die nicht mit den mehreren, ersten vorstehenden Elementen (261) in einem rückseitigen Bereich interferieren, der umgekehrt zum gemeinsamen Bereich ist und einen dritten Raum zwischen einem Ende des Kühlmittelströmungskonvexes, das auf der zweiten Linie ausgebildet ist, und dem Umfang des rückseitigen Bereiches beinhaltet.
Brennstoffzelle, die folgende Merkmale aufweist: eine Elektrolytanordnung, die eine Elektrolytmembran und eine Anode und eine Kathode beinhaltet, die auf zwei Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet sind; und ein Paar von Gasseparatoren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die Gasseparatoren entlang der Elektrolytanordnung als ein anodenseitiger Gasseparator und ein kathodenseitiger Gasseparator angeordnet sind, um eine Strömungsweg eines Brenngases zu definieren, das der Anode zugeführt werden soll, und einen Strömungsweg eines Oxidationsgases, das der Kathode als Strömungswege von Reaktionsgasen zugeführt werden soll.
Brennstoffzelle, die als Stapelung von mehrzahligen Einheit-Brennstoffzellen erhalten wird; wobei jede Einheit-Brennstoffzelle folgende Merkmale aufweist: eine Elektrolytanordnung, die eine Elektrolytmembran und eine Anode und eine Kathode beinhaltet, die auf zwei Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet sind; und ein Paar von Gasseparatoren nach Anspruch 20, wobei die Gasseparatoren entlang der Elektrolytanordnung als ein anodenseitiger Gasseparator und ein kathodenseitiger Gasseparator angeordnet sind, um eine Strömungsweg eines Brenngases, das der Anode zugeführt werden soll, und einen Strömungsweg eines Oxidationsgases, das der Kathode zugeführt werden soll, als Strömungswege von Reaktionsgasen zu definieren, wobei die mehreren ersten vorstehenden Elemente (261), die auf dem anodenseitigen Gasseparator ausgebildet sind, angeordnet sind, um mit den mehreren ersten vorstehenden Elementen (261), die auf dem kathodenseitigen Separator ausgebildet sind, über die Elektrolytanordnung in einer jeden Einheit-Brennstoffzelle zu überlappen, und wobei die mehreren zweiten vorstehenden Elemente (261), die auf dem anodenseitigen Gasseparator in einer Einheit-Brennstoffzelle gebildet sind, so angeordnet sind, dass sie mit den mehreren zweiten vorstehenden Elementen (261) in Kontakt stehen, die auf dem kathodenseitigen Gasseparator in einer benachbarten Einheit-Brennstoffzelle ausgebildet sind, der benachbart zum anodenseitigen Gasseparator in der einen Einheit-Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 21 und 22, wobei der anodenseitige Gasseparator eine größere Anzahl von Gasströmungsweg-Teilungsträgern (212B, 262B, 342, 362) aufweist als der kathodenseitige Gasseparator.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) in einer näherungsweise horizontalen Richtung auf sowohl dem anodenseitigen Gasseparator als auch dem kathodenseitigen Gasseparator angeordnet sind, wobei das Brenngas von einem Brenngasströmungsweg, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf einer oberen Seite in einer vertikalen Richtung angeordnet ist, zu einem Brenngasströmungsweg strömt, der auf dem Unterteilungsbereich gebildet ist, der auf einer unteren Seite in der vertikalen Richtung auf dem anodenseitigen Gasseparator angeordnet ist, und wobei das Oxidationsgas von einem Oxidationsgas-Strömungsweg, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf der unteren Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist, zu einem Oxidationsgas-Strömungsweg strömt, der auf dem Unterteilungsbereich ausgebildet ist, der auf der oberen Seite in der vertikalen Richtung auf dem kathodenseitigen Gasseparator angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die mehrzahligen Unterteilungsbereiche, die seriell verbunden sind, stromabwärts von einer Strömungsrichtung des Reaktionsgases graduell schmäler werden.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei die Brennstoffzelle ferner folgende Merkmale aufweist: ein Abdichtungselement, das zwischen der Elektrolytanordnung und einem jeweiligen der Gasseparatoren bereitgestellt ist, um auf zumindest einem Teil des Umfangs des Leistungserzeugungsbereichs angeordnet zu sein, und das eine Gasabdichtungseigenschaft in dem Strömungsweg des Reaktionsgases sicherstellt; und eine Gasleckströmungs-Verhinderungsstruktur, die auf der einen Fläche des Gasseparators bereitgestellt ist, um einen Zwischenraum zwischen dem erweiterten Ende von dem zumindest einen Gasströmungsweg-Teilungsträger (212B, 262B, 342, 362) und dem Abdichtungselement zu füllen, das auf dem Umfang des Leistungserzeugungsbereichs angeordnet ist,