DE10392682B4

DE10392682B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10392682B4
Application number: DE10392682.8T
Authority: DE
Inventors: Masaharu Suzuki; Naoyuki Enjoji
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: US7413825B2; DE10392682T5; GB0425353D0; WO2003098727A1; JP2004047451A; JP4663967B2; GB2404492B; US20050221151A1; GB2404492A

Abstract

Brennstoffzelle, die durch abwechselndes Stapeln einer Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (14) und eines Paares von Separatoren (16) gebildet ist, wobei die betreffende Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (14) ein Paar von Elektroden und einen zwischen die betreffenden Elektroden eingefügten Elektrolyten enthält, wobei ein Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20) und ein Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26) sich durch die betreffenden Separatoren (16) in einer Stapelungsrichtung zumindest für die Abgabe eines Sauerstoff enthaltenden Gases oder eines Brennstoffgases als Reaktantgas zu einem Reaktantgas-Strömungsfeld (38), welches in einer Separatoroberfläche gebildet ist, die der genannten Membran-Elektroden-Anordnung (14) zugewandt ist, und für die Abführung des betreffenden Reaktantgases aus dem betreffenden Reaktantgas-Strömungsfeld (38) erstrecken, und zumindest der betreffende Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20) oder der genannte Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26) erste und zweite gerade Abschnitte (20a, 20b, 26a, 26b) enthalten, die längs zweier Seiten von einer Ecke des betreffenden Separators (16) langgestreckt sind, und Puffer (40a, 40b) an Ecken des betreffenden Separators (16) vorgesehen sind und die betreffenden Puffer (40a, 40b) zwischen dem genannten Reaktantgas-Strömungsfeld (38) und dem genannten Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20) sowie zwischen dem genannten Reaktantgas-Strömungsfeld und dem genannten Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26) verbunden sind, wobei beide der ersten und zweiten geraden Abschnitte (20a, 20b, 26a, 26b) mit wenigstens einem Puffer (40a, 40b) verbunden sind, und wobei der Separator (16) eine rechteckige Form in Draufsicht aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolyt-Elektroden-Anordnung und ein Paar von Trennvorrichtungen bzw. Separatoren enthält, welche die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung zusammenschichten. Die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung enthält Elektroden und einen zwischen den Elektroden eingefügten Elektrolyten.
Hintergrund-Technik
Eine feste Polymer-Brennstoffzelle enthält beispielsweise eine Elektrolyt-Elektroden-Anordnung und Separatoren, welche die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung zusammenschichten. Die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung enthält eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode eingefügten Elektrolyten (Elektrolyt-Membrane). Der Elektrolyt ist eine Polymer-Ionenaustauschermembran (Proton-Ionenaustauschermembrane). Wenn dieser Typ von Brennstoffzelle angewandt wird, werden bzw. sind im Allgemeinen bestimmte Zahlen von Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen und Separatoren zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels zusammengestapelt.
In dem Brennstoffzellenstapel wird ein Brennstoffgas (Reaktant-Gas), wie ein Gas, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält (nachstehend auch als Wasserstoff enthaltendes Gas bezeichnet) an die Anode abgegeben. Der Katalysator der Anode ruft eine chemische Reaktion des Brennstoffgases hervor, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen und Elektronen aufzuspalten. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode, und die Elektronen fließen durch eine externe Schaltung zur Kathode, was eine elektrische Gleichstromenergie hervorruft. Ein oxydierendes Gas (Reaktant-Gas), wie ein Gas, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält (nachstehend auch als das Sauerstoff enthaltende Gas bezeichnet) wird der Kathode zugeführt. An der Kathode vereinigen sich die Wasserstoffionen von der Anode mit den Elektronen und dem Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.
In der Brennstoffzelle wird auf einer der Anode zugewandten Fläche dem Separator ein Brennstoffgas-Strömungsfeld (Reaktantgas-Strömungsfeld) zur Abgabe des Brennstoffgases an die Anode gebildet. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas-Strömungsfeld (Reaktantgas-Strömungsfeld) wird auf der der Kathode zugewandten Oberfläche des Separators zur Abgabe des Sauerstoff enthaltenden Gases an die Kathode gebildet. Ferner wendet dieser Typ von Brennstoffzelle eine interne Rohrleitung an, in der Fluiddurchgänge sich durch die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung und die Separatoren in der Stapelungsrichtung erstrecken, um dem Sauerstoff enthaltenden Gas und dem Brennstoffgas als Reaktantgase zu ermöglichen, hineinzuströmen und aus den Reaktantgas-Strömungsfeldern herauszuströmen.
So sind beispielsweise in einer Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, wie sie in der offengelegten japanischen Veröffentlichung JP 2001-266910 A angegeben ist, wie in 13 dargestellt, an einem Ende eines Separators 1 der Brennstoffzelle in einer durch einen Pfeil X bezeichneten Richtung ein ein Sauerstoff enthaltendes Gas abgebender Abgabedurchgang 2a zur Abgabe eines oxydierenden Gases, wie eines Sauerstoff enthaltendes Gases, und ein Brennstoffgas-Abgabedurchgang 3a zur Abgabe eines Brennstoffgases, wie eines Wasserstoff enthaltendes Gases, gebildet.
Am anderen Ende des Separators 1 sind in der durch den Pfeil X bezeichneten Richtung ein ein Sauerstoff enthaltendes Gas abführender Abführungsdurchgang 2b zum Abführen des Sauerstoff enthaltenden Gases, ein Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 3b zum Abführen des Brennstoffgases gebildet. Der Separator 1 weist auf seiner einer Kathode (nicht dargestellt) zugewandten Oberfläche 1a ein Sauerstoff enthaltendes Gasströmungsfeld 4 auf. Das Sauerstoff enthaltende Gasströmungsfeld 4 enthält beispielsweise eine Vielzahl von Nuten, die sich in der durch den Pfeil X bezeichneten Richtung erstrecken. Das Sauerstoff enthaltende Gasströmungsfeld 4 ist mit dem Sauerstoff enthaltenden Gaszuführungs- bzw. Gasspeisedurchgang 2a und dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 2b verbunden.
Da der das Sauerstoff enthaltende Gas liefernde Speisedurchgang 2a auf der rechten Seite eines Endes des Separators 1 in der durch den Pfeil X bezeichneten Richtung vorgesehen ist, ist es jedoch dann, wenn das Sauerstoff enthaltende Gas von dem das Sauerstoff enthaltende Gas liefernden Speisedurchgang 2a vertikal in der durch den Pfeil X bezeichneten Richtung zu dem das Sauerstoff enthaltende Gasströmungsfeld 4 hin abgegeben wird, insbesondere schwierig, das Sauerstoff enthaltende Gas ausreichend an einen Bereich nahe des Brennstoffgas-Speisedurchgangs 3a abzugeben (linke Seite des einen Endes in der durch den Pfeil X bezeichneten Richtung).
Daher ist die Anzahl von Nuten (Teil des Sauerstoff enthaltenden Gasströmungsfeldes 4) zur Leitung des Sauerstoff enthaltenden Gases von dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungs- bzw. -Speisedurchgang 2a zu der Elektrodenfläche begrenzt. Somit ist der Druckverlust in den Nuten des Sauerstoff enthaltenden Gasströmungsfeldes erhöht. Komponenten, wie ein Kompressor zur Lieferung des Sauerstoff enthaltenden Gases sind groß. Infolgedessen ist es nicht möglich, die Größe und das Gewicht der Einrichtung zu reduzieren. Es ist nicht möglich, das Reaktantgas an die Elektrodenoberfläche gleichmäßig abzugeben, und die Energieerzeugungsleistung ist niedrig.
Ferner weist der Separator 1 keinerlei Fluiddurchgänge auf den beiden gegenüberliegenden Seiten 1b in der durch den Pfeil Y bezeichneten Richtung rechtwinklig zu der durch den Pfeil X bezeichneten Richtung auf. Damit neigen diese Seiten 1b dazu, der Außenluft ausgesetzt zu werden. Infolgedessen tritt in den Strömungsnuten nahe der Seiten 1b eine Wasserkondensation auf. Da das kondensierte Wasser zurückbehalten wird, kann die Energieerzeugungsleistung unerwünschterweise verringert sein.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst diese Art von Problem, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennstoffzelle mit einfacher Struktur bzw. einfachem Aufbau bereitzustellen, bei der die Größe eines Separators verringert ist und bei der die Energieerzeugungsleistung effektiv aufrechterhalten ist.
In der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung erstrecken sich ein Reaktantgas-Zuführungsdurchgang und eine Reaktantgas-Abführungsdurchgang durch die Separatoren in einer Stapelungsrichtung zur Lieferung zumindest eines Sauerstoff enthaltenden Gases oder eines Brennstoffgases als Reaktantgas an ein Reaktantgas-Strömungsfeld, welches in dem einer Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Separator gebildet ist, und zur Abführung des Reaktantgases von dem Reaktantgas-Strömungsfeld. Zumindest der Reaktantgas-Zuführungsdurchgang oder der Reaktantgas-Abführungsdurchgang (nachstehend auch einfach als „Fluiddurchgang” bezeichnet) enthält erste und zweite gerade Abschnitte, die sich längs zweier Seiten von einer Ecke des Separators aus erstrecken.
Wie oben beschrieben, enthält der Fluiddurchgang die ersten und zweiten geraden Abschnitte, die sich längs zweier Seiten des Separators erstrecken. Daher treffen dann, wenn das Reaktantgas an das Reaktant-Strömungsfeld aus unterschiedlichen Richtungen abgegeben wird, die Ströme der unterschiedlichen Richtungen aufeinander, und das Reaktantgas wird in dem Reaktantgas-Strömungsfeld gleichmäßig verteilt. Somit ist es möglich, das Reaktantgas der Elektrodenfläche gleichmäßig und zuverlässig zuzuführen. Ferner wird das Reaktantgas dem Reaktantgas-Strömungsfeld aus unterschiedlichen Richtungen zugeführt, und der Bereich des Strömungsfeldes zur Leitung des Reaktantgases von dem Fluiddurchgang zu der Elektrodenfläche ist groß im Vergleich zu dem konventionellen Aufbau. Somit ist es möglich, das Reaktantgas gleichmäßig dem gesamten Bereich der Elektrodenfläche zuzuführen, und der Druckverlust des Reaktantgases in dem Strömungsfeld ist effektiv vermindert. Infolgedessen ist der Kompressor oder dgl. für die Zuführung des Reaktantgases nicht groß, und die dünne Zellenstruktur ist erreicht.
Da die Fluiddurchgänge an Außenkanten des Separators einschließlich der Ecken des Separators vorgesehen sind, ist der Raum in der Separatorfläche effektiv ausgenutzt, und das Elektrodenflächen-Nutzungsverhältnis in dem Separator ist verbessert. Demgemäß sind die Größe und das Gewicht der gesamten Brennstoffzelle reduziert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die ersten und zweiten geraden Abschnitte an der Ecke des Separators voneinander getrennt. Die Rippe ist zwischen den ersten und zweiten geraden Abschnitten vorgesehen. Daher ist die Ecke des Separators in geeigneter Weise durch die Rippe verstärkt. Somit ist die Festigkeit des Separators verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rippe ein Loch zur Einführung eines Stapel-Befestigungsbolzens oder eines Positionierungsstoßes auf. Somit wird die Separatorfläche effektiv genutzt, und die Gesamtgröße der Brennstoffzelle wird leicht reduziert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erstrecken sich ein Kühlmittel-Zuführungsdurchgang und ein Kühlmittel-Abführungsdurchgang (nachstehend auch einfach als der „Fluiddurchgang” bezeichnet) durch die Separatoren in der Stapelungsrichtung zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels. Ferner sind der Reaktantgas-Zuführungsdurchgang, der Reaktantgas-Abführungsdurchgang, der Kühlmittel-Zuführungsdurchgang und der Kühlmittel-Abführungsdurchgang um eine Elektrodenfläche der Elektrolyt-Elektroden-Anordnung herum gebildet.
Daher wird die Elektrodenfläche durch die Außenluft nicht direkt gekühlt. Die Wasserkondensation in der Elektrodenfläche ist effektiv verhindert. Somit ist es möglich, das befeuchtende Wasser effektiv zu nutzen, die Menge des kondensierten Wassers in der Elektrodenfläche zu verringern und die Verringerung der Energieerzeugungsleistung zu verhindern. Wenn ein Dichtungsglied um die Fluiddurchgänge herum vorgesehen ist, enthält die Separatorfläche ferner keinen Bereich, wo der Dichtungsdruck nicht ungenügend ausgeübt wird, und der Dichtungsflächendruck wird gleichmäßig auf die Separatorfläche ausgeübt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung und die Separatoren horizontal gestapelt. Daher ist ein Teil des Fluiddurchgangs tiefer als die Elektrodenfläche. Sogar dann, wenn das kondensierte Wasser in dem Fluiddurchgang zurückbehalten wird, wird das Reaktantgas-Strömungsfeld nicht mit dem kondensierten Wasser gefüllt. Somit wird das kondensierte Wasser effektiv abgeführt, und das Wasser wird nicht auf der Elektrodenfläche zurückbehalten. Daher wird die gewünschte Energieerzeugungsleistung aufrechterhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Puffer, welche das Reaktantgas-Strömungsfeld und den Reaktantgas-Zuführungsdurchgang sowie den Reaktant-Abführungsdurchgang verbinden, an Ecken des Separators vorgesehen. Daher strömt das Reaktantgas von dem Reaktantgas-Zuführungsdurchgang zu dem Reaktantgas-Abführungsdurchgang gleichmäßig durch das Reaktantgas-Strömungsfeld.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der Separator eine im Wesentlichen rechteckige Form in einer Draufsicht. Zumindest ein Durchgang der Reaktantgas-Zuführungsdurchgänge und zumindest ein Durchgang der Reaktantgas-Abführungsdurchgänge sind um Ecken an diagonalen Stellen des Separators vorgesehen. Daher strömt das Reaktantgas in geeigneter Weise in der Separatoroberfläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der Separator eine im Wesentlichen rechteckige Form in einer Draufsicht. Zumindest eines der Reaktantgas-Strömungsfelder enthält eine im Wesentlichen U-förmige Nut in einer Separatoroberfläche. Ein Durchgang der Reaktantgas-Zuführungsdurchgänge und ein Durchgang der Reaktantgas-Abführungsdurchgänge, die mit einem der Reaktantgas-Strömungsfelder verbunden sind, sind um die angrenzenden Ecken des Separators vorgesehen. Daher ist zusätzlich zu der im Wesentlichen geraden Nut die im Wesentlichen U-förmige Nut in der Separatoroberfläche wirksam vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der Separator eine im Wesentlichen viereckige bzw. quadratische Form in einer Draufsicht. Ein Einlasspuffer ist nahe zumindest eines Durchgangs der Reaktantgas-Zuführungsdurchgänge vorgesehen, und ein Auslasspuffer ist nahe zumindest eines Durchgangs der Reaktantgas-Abführungsdurchgänge vorgesehen. Das Reaktantgas-Strömungsfeld enthält gerade Nuten zwischen dem Einlasspuffer und dem Auslasspuffer. Die im Wesentlichen geraden Nuten enthalten hier Wellenmusternuten, die längs der Strömungsrichtung des Reaktantgases gekrümmt oder gebogen sind. Daher ist der Druckverlust des Reaktantgases in dem Reaktantgas-Strömungsfeld minimiert. Insbesondere dann, wenn die Elektrodenoberfläche eine im Wesentlichen viereckige bzw. quadratische Form hat, ist die Außenumfangsabmessung der Separator minimiert. Ferner ist es möglich, die Wärmerückhalteeigenschaft des Separators zu verbessern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine Position einer Einlass-Endposition und einer Auslass-Endposition des Reaktantgas-Strömungsfeldes im Wesentlichen zu zumindest einer Endposition des Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs und einer Endposition des Reaktantgas-Abführungsdurchgangs in Ausrichtung, der sich zu dem Reaktantgas-Strömungsfeld erstreckt.
Falls das Ende des Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs sich nach innen zu dem Reaktantgas-Strömungsfeld über die Einlass-Endposition des Reaktantgas-Strömungsfeldes hinaus erstreckt, kann das Reaktantgas nicht von dem Ende des Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs in das Reaktantgas-Strömungsfeld strömen. Daher ist es durch Festlegen der Endposition möglich, das Reaktantgas gleichzeitig in der Breiten-Richtung rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Reaktantgas-Strömungsfeldes zuzuführen. Damit kann die gewünschte Energieerzeugungsfunktion erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Querschnittsbereich der Öffnung des Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs größer als der Querschnittsbereich der Öffnung des Reaktantgas-Abführungsdurchgangs. Die Strömungsrate des Reaktantgases nahe des Reaktantgas-Abführungsdurchgangs ist klein nach Verbrauch des Reaktantgases. Da der Querschnittsbereich der Öffnung des Reaktantgas-Abführungsdurchgangs kleiner ist als der Querschnittsbereich der Öffnung des Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs, strömt das Reaktantgas gleichmäßig.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Schnittansicht, die einen Teil der Brennstoffzelle zeigt.
3 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle zeigt.
4 ist eine Vorderansicht, die einen zweiten Separator einer Brennstoffzelle zeigt.
5 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator mit einen Puffer bildenden kreisförmigen Elementen zeigt.
6 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator einer Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
13 ist eine Vorderansicht, die einen Separator zeigt, wie er in der offengelegten japanischen Veröffentlichung JP 2001-266910 A angegeben ist.
Beste Ausführungsform zur Ausführung der Erfindung
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Schnittansicht, die einen Teil der Brennstoffzelle 10 zeigt.
Die Brennstoffzelle 10 enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung (Elektrolyt-Elektroden-Anordnung) 14 und rechteckige (im Wesentlichen rechteckige) erste und zweite Separatoren 16, 18, die die Membran-Elektroden-Anordnung 14 zusammenschichten. Abdichtungsglieder 19, wie Dichtungsscheiben sind um Fluiddurchgänge und Elektrodenflächen (Energieerzeugungsflächen), wie später beschrieben, zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 14 und den ersten und zweiten Separatoren 16, 18 vorgesehen.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 sowie die ersten und zweiten Separatoren 16, 18 sind in einer horizontalen Richtung gestapelt, wie durch einen Pfeil A angedeutet. An einem Ende der Membran-Elektroden-Anordnung 14 und den ersten und zweiten Separatoren 16, 18 in einer durch einen Pfeil B bezeichneten Richtung (horizontale Richtung in 1), rechtwinklig zur Stapelungsrichtung, sind ein ein Sauerstoff enthaltendes Gas zuführender Zuführungsdurchgang 20 zur Zuführung eines oxydierenden Gases, wie eines Sauerstoff enthaltenden Gases, ein Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22 zur Abführung eines Brennstoffgases, wie eines Wasserstoff enthaltendes Gases, gebildet. Der das Sauerstoff enthaltende Gas zuführende Zuführungsdurchgang 20 und der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22 verlaufen durch die Membran-Elektroden-Anordnung 14 und die ersten und zweiten Separatoren 16, 18 in der Stapelungsrichtung.
Der das Sauerstoff enthaltende Gas zuführende Zuführungsdurchgang 20 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 20a, 20b, die in einer durch einen Pfeil B angedeuteten Richtung und in einer durch einen Pfeil C (längs zweier Seiten) angedeuteten Richtung von einer Ecke an einem oberen Bereich eines Endes des ersten Separators 16 aus langgestreckt sind. Die ersten und zweiten geraden Abschnitte 20a, 20b bilden eine einzige Öffnung. Der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 22a, 22b, die in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung und in der durch den Pfeil C (längs zweier Seiten) von einer Ecke an einem unteren Teil eines Endes des ersten Separators 16 aus langgestreckt sind. Die ersten und zweiten geraden Abschnitte 22a, 22b bilden eine einzige Öffnung.
Am anderen Ende der Membran-Elektroden-Anordnung 14 und den ersten und zweiten Separatoren 16, 18 in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung sind ein Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24 zur Zuführung des Brennstoffgases, ein Sauerstoff enthaltendes Gas abführender Abführungsdurchgang 26 zur Abführung des Sauerstoff enthaltenden Gases gebildet. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24 und der Sauerstoff enthaltendes Gas abführende Abführungsdurchgang 26 verlaufen durch die Membran-Elektroden-Anordnung 14 sowie die ersten und zweiten Separatoren 16, 18 in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 24a, 24b, die in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung und in der durch den Pfeil C (längs zweier Seiten) von einer Ecke an einem oberen Bereich des anderen Endes des ersten Separators 16 aus bezeichneten Richtung langgestreckt sind. Der Sauerstoff enthaltendes Gas abführende Abführungsdurchgang 26 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 26a, 26b, die in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung und in der durch den Pfeil C (längs zweier Seiten) von einer Ecke an einem unteren Bereich des anderen Endes des ersten Separators 16 aus bezeichneten Richtung langgestreckt sind.
An einem unteren Kanten- bzw. Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 14 sowie der ersten und zweiten Separatoren 16, 18 ist ein Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 28 zur Zuführung eines Kühlmittels, wie reinem Wasser, einem Ethylenglykol oder einem Öl, vorgesehen. An einem oberen Kanten- bzw. Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 14 sowie der ersten und zweiten Separatoren 16, 18 ist ein Kühlmittel-Abführungsdurchgang 30 zur Abführung des Kühlmittels vorgesehen.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 umfasst eine Anode 34, eine Kathode 36 und eine zwischen die Anode 34 und die Kathode 36 eingefügte Festpolymer-Elektrolyt-Membran (Elektrolyt) 32. Die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 32 ist durch Imprägnieren einer dünnen Membran, beispielsweise aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser gebildet.
Die Anode 34 und die Kathode 36 weisen jeweils eine Gas-Diffusionsschicht, wie ein Kohlepapier, und eine Elektroden-Katalysatorschicht aus einer Platinlegierung auf, die von Kohlenstoffpartikeln getragen wird. Die Kohlenstoffpartikel sind auf der Oberfläche der Gas-Diffusionsschicht gleichmäßig niedergeschlagen.
Wie in 1 und 3 dargestellt, weist der erste Separator 16 ein Sauerstoff enthaltendes Gas-Strömungsfeld (Reaktantgas-Strömungsfeld) 38 auf seiner der Kathode 36 zugewandten Oberfläche 16a auf, zur Abgabe des Sauerstoff enthaltenden Gases längs der Kathode 36. Das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 38 enthält erste und zweite Puffer 40a, 40b nahe des ein Sauerstoff enthaltendes Gas zuführenden Zuführungsdurchgang 20 und des ein Sauerstoff enthaltendes Gas abführenden Abführungsdurchgang 26 sowie eine Vielzahl von ein Sauerstoff enthaltendes Gas leitenden Strömungsnuten 42, die mit den ersten und zweiten Puffern 40a, 40b verbunden sind.
Die ersten und zweiten Puffer 40a, 40b sind durch eine Vielzahl von unterbrochenen bzw. diskontinuierlichen Strömungsnuten oder Vorsprüngen gebildet. Die ein Sauerstoff enthaltendes Gas leitenden Strömungsnuten 42 verlaufen parallel zueinander auf der Oberfläche 16a. Jede der ein Sauerstoff enthaltendes Gas leitenden Strömungsnuten 42 ist gekrümmt.
Wie in 4 gezeigt, weist der zweite Metall-Separator 18 ein Brennstoffgas-Strömungsfeld (Reaktantgas-Strömungsfeld) 48 auf seiner der Anode 34 zugewandten Oberfläche 18a zur Abgabe des Brennstoffgases längs der Anode 34 auf. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 48 enthält erste und zweite Puffer 50a, 50b nahe des Brennstoffgas-Zuführungsdurchgangs 24 und des Brennstoffgas-Abführungsdurchgangs 22 sowie eine Vielzahl von Brennstoffgas-Strömungsnuten 52, die mit den ersten und zweiten Puffern 50a, 50b verbunden sind.
Die ersten und zweiten Puffer 50a, 50b sind durch eine Vielzahl von unterbrochenen bzw. diskontinuierlichen Strömungsnuten oder Ansätzen gebildet. Die Brennstoffgas-Strömungsnuten 52 verlaufen parallel zueinander auf der Oberfläche 18a. Jede der Brennstoffgas-Strömungsnuten 52 ist gekrümmt.
Wie in 1 dargestellt, weist der zweite Separator 18 ein Kühlmittel-Strömungsfeld 58 auf seiner der Oberfläche 18a gegenüberliegenden Oberfläche 18b auf. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 58 enthält eine bestimmte Anzahl von geraden Strömungsnuten, die vertikal in einer durch einen Pfeil C bezeichneten Richtung parallel verlaufen. Gegenüberliegende Enden der geraden Strömungsnuten 60 sind mit dem Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 28 und dem Kühlmittel-Abführungsdurchgang 30 verbunden. Die Dichtungsglieder 19 weisen Öffnungen 62 zentrisch an der Anode 34 und der Kathode 36 entsprechenden Stellen (siehe 1) auf.
Die Arbeitsweise der Brennstoffzelle 10 wird beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, werden ein Brennstoffgas, wie ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein oxydierendes Gas, wie ein Sauerstoff enthaltendes Gas, und ein Kühlmittel, wie reines Wasser, ein Ethylenglykol oder ein Öl in die Brennstoffzelle 10 geliefert. Wie in 1 und 3 gezeigt, strömt das Sauerstoff enthaltende Gas, welches an den Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20 geliefert wird, der sich in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung erstreckt, in das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 38.
Genauer gesagt ist der erste Puffer 40a des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 38 mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20 verbunden. Das Sauerstoff enthaltende Gas wird von dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20 in den ersten Puffer 40a geliefert. Der erste Puffer 40a ist mit den Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 42 verbunden, und das Sauerstoff enthaltende Gas wird durch die Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 42 längs der Kathode 36 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 geliefert.
Das Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24, der sich in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung erstreckt, strömt in das Brennstoffgas-Strömungsfeld 48. Wie in 4 dargestellt, enthält das Brennstoffgas-Strömungsfeld 48 den ersten Puffer 50a, der mit dem Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24 verbunden ist. Das Brennstoffgas wird den Brennstoffgas-Strömungsnuten 52 durch den ersten Puffer 50a geliefert. Das Brennstoffgas strömt durch die Brennstoffgas-Strömungsnuten 52 und wird längs der Anode 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 geliefert.
In jeder der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 werden das der Kathode 36 gelieferte Sauerstoff enthaltende Gas und das der Anode 34 zugeführte Brennstoffgas in den elektrochemischen Reaktionen in Katalysatorschichten der Kathode 36 und der Anode 34 zur Erzeugung von Elektrizität (siehe 2) verbraucht.
Sodann strömen das der Kathode 36 zugeführte und an dieser verbrauchte, Sauerstoff enthaltende Gas durch den zweiten Puffer 40b und wird in dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 26 (siehe 3) abgeführt. In entsprechender Weise strömt das der Anode 34 zugeführte und an dieser verbrauchte Brennstoffgas durch den zweiten Puffer 50b und wird in den Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22 (siehe 4) abgeführt.
Ferner strömt, wie in 1 dargestellt, das an den Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 28 abgegebene bzw. gelieferte Kühlmittel in das Kühlmittel-Strömungsfeld 58 des zweiten Separators 18. Das Kühlmittel strömt vertikal (nach oben) längs der geraden Strömungsnuten 60. Nachdem das Kühlmittel zum Kühlen der Membran-Elektroden-Anordnung 14 genutzt ist, wird das Kühlmittel in den Kühlmittel-Abführungsdurchgang 30 abgeführt.
Bei der ersten Ausführungsform enthält der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 20 die ersten und zweiten geraden Abschnitte 20a, 20b, die längs zweier Seiten (in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung und in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung) von der Ecke des oberen Bereiches eines Endes des ersten Separators 16 aus langgestreckt sind (verlaufen). Daher strömt, wie in 3 dargestellt, das dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20 zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gas vertikal (nach unten) von dem ersten geraden Abschnitt 20a zu dem ersten Puffer 40a, und es strömt horizontal von dem zweiten geraden Abschnitt 20b zu dem ersten Puffer 40a.
Daher wird das Sauerstoff enthaltende Gas dem ersten Puffer 40a aus den unterschiedlichen Richtungen zugeführt, um ein Aufeinandertreffen bzw. eine Kollision der Ströme in den verschiedenen Richtungen hervorzurufen, und das Sauerstoff enthaltende Gas wird in dem ersten Puffer 40a gleichmäßig verteilt. Somit ist es in der Oberfläche 16a des ersten Separators 16 möglich, das Sauerstoff enthaltende Gas in geeigneter Weise an das gesamte Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 38 abzugeben. Im Vergleich zu dem konventionellen Aufbau ist der Bereich des Strömungsfeldes für eine tatsächliche bzw. virtuelle Leitung des Sauerstoff enthaltenden Gases von dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20 zu der Elektrodenoberfläche 64 (siehe 3) signifikant vergrößert, und das Sauerstoff enthaltende Gas wird an den gesamten Bereich in der Elektrodenoberfläche 64 gleichmäßig abgegeben. Demgemäß ist der Druckverlust in dem Strömungsfeld, d. h. in dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeld 38 effektiv verringert. Der Kompressor oder dgl. zur Lieferung des Sauerstoff enthaltenden Gases ist nicht groß. Somit wird eine Verringerung in der Gesamtdicke der Brennstoffzelle 10 leicht erreicht.
Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 20, der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 26, der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24, der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22, der Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 28 und der Kühlmittel-Abführungsdurchgang 30 sind entlang von vier Seiten des ersten Separators 16, einschließlich der jeweiligen Ecken des ersten Separators 16 vorgesehen. Daher wird der Platz in der Oberfläche des ersten Separators 16 effizient genutzt, und das Ausnutzungsverhältnis der Elektrodenoberfläche des ersten Separators 16 ist verbessert. Demgemäß sind die Gesamtgröße und das Gewicht der Brennstoffzelle 10 in vorteilhafter Weise verringert.
Ferner ist die Elektrodenoberfläche 64 des ersten Separators 16 von dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20, dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 26, dem Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24, dem Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22, dem Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 28 und dem Kühlmittel-Abführungsdurchgang 30 umgeben. Daher wird die Elektrodenoberfläche 64 nicht unmittelbar die äußere Luft gekühlt. Die Wasserkondensation in der Elektrodenoberfläche 64 ist effektiv verhindert. Somit kann das Wasser in den befeuchteten Reaktantgasen, wie dem Sauerstoff enthaltenden Gas und dem Brennstoffgas, effektiv genutzt werden. Es ist möglich, die Menge des kondensierten Wassers in der Elektrodenoberfläche 64 zu reduzieren und die Verringerung in der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 10 zu verhindern.
Der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 26 enthält die ersten und zweiten geraden Abschnitte 26a, 26b, die sich längs zweier Seiten (in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung und in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung) erstrecken. Die Komponenten der Brennstoffzelle 10 sind in der horizontalen Richtung gestapelt. Wie in 3 dargestellt, ist die Position des ersten geraden Abschnitts 26a niedriger als die Position der Elektrodenoberfläche 64. Deshalb wird sogar dann, wenn das kondensierte Wasser in dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 26 zurückgehalten wird, das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 38 nicht mit kondensiertem Wasser gefüllt. Somit wird das kondensierte Wasser effizient abgeführt, und das Wasser wird auf der Elektrodenoberfläche 64 nicht zurückbehalten. Deshalb wird die gewünschte Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 10 aufrecht erhalten.
Der zweite Separator 18 weist dieselben Vorteile auf wie der erste Metall-Separator 16. Deshalb wird eine detaillierte Beschreibung zum zweiten Metall-Separator 18 weggelassen.
Bei der ersten Ausführungsform enthalten die ersten Puffer 40a, 50a und die zweiten Puffer 40b, 50b Elemente, die eine rechteckige Form aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt. So kann beispielsweise, wie in 5 gezeigt, ein erster Puffer 40aa, der Elemente mit einer Kreisform aufweist, anstelle des ersten Puffers 40a verwendet werden. Zusätzlich zu der rechteckigen Form können ferner verschiedene Formen, wie polygonale Formen, für die Elemente in dem Puffer angewandt werden.
6 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator 70 der Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In 6 sind die Bestandteile des ersten Separators 70, die identisch sind mit jenen des ersten Separators 16 der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform, mit den selben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen. Bei dritten bis achten Ausführungsformen, wie sie später beschrieben sind, sind die Bestandteile, welche identisch sind mit jenen des ersten Separators 16 der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform, mit dem selben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen.
Der erste Separator 70 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 72 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 74 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 72 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 72a, 72b, und der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 74 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 74a, 74b. Die ersten geraden Abschnitte 72a, 74a sind in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt, und die zweiten geraden Abschnitte 72b, 74b sind in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt. Der erste gerade Abschnitt 72a und der zweite gerade Abschnitt 72b sind an einer oberen Ecke des ersten Separators 70 getrennt, und der erste gerade Abschnitt 74a und der zweite gerade Abschnitt 74b sind an einer unteren Ecke des ersten Separators 70 getrennt. An den jeweiligen Ecken sind Verstärkungsrippen 76 gebildet.
Der erste Separator 70 weist einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 78 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 80 am anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 78 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 78a, 78b, und der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 80 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 80a, 80b. Die ersten geraden Abschnitte 78a, 80b sind in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt, und die zweiten geraden Abschnitte 78b, 80b sind in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt. Die ersten geraden Abschnitte 78a und die zweiten geraden Abschnitte 78b sind voneinander getrennt, und der erste gerade Abschnitt 80a und der zweite gerade Abschnitt 80b sind voneinander getrennt. An den jeweiligen oberen und unteren Ecken des ersten Separators 70 sind Verstärkungsrippen 76 gebildet.
Bei der zweiten Ausführungsform können dieselben Vorteile wie mit der ersten Ausführungsform erzielt werden. Ferner sind die Rippen 76 an den vier Ecken des ersten Separators 70 gebildet. Damit sind die vier Ecken des ersten Separators 70 in wünschenswerter Weise durch die Rippen 76 verstärkt, und die Festigkeit des ersten Separators 70 ist verbessert.
7 ist eine Vorderansicht eines ersten Separators 82 einer Brennstoffzelle gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der erste Separator 82 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 84 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 86 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 84 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 84a, 84b, und der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 86 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 86a, 86b. Die ersten geraden Abschnitte 84a, 86a sind zu Ecken des ersten Separators 82 hin abgewinkelt und in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt. Die zweiten geraden Abschnitte 84b, 86b sind zu den Ecken des ersten Separators 82 hin abgewinkelt und in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt. Der erste gerade Abschnitt 84a und der zweite gerade Abschnitt 84b sind an der oberen Ecke des ersten Separators 82 getrennt, und der erste gerade Abschnitt 86a und der zweite gerade Abschnitt 86b sind an der unteren Ecke des ersten Separators 82 getrennt. An den jeweiligen Ecken sind Verstärkungsrippen 88 gebildet.
Der erste Separator 82 weist einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 90 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 92 am anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 90 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 90a, 90b, und der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 92 enthält getrennte erste und zweite gerade Abschnitte 92a, 92b. Die ersten geraden Abschnitte 90a, 92a sind zu Ecken des ersten Separators 82 hin abgewinkelt und in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt. Die zweiten geraden Abschnitte 90b, 92b sind zu den Ecken des ersten Separators 82 hin abgewinkelt und in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt. Der erste gerade Abschnitt 90a und der zweite gerade Abschnitt 90b sind an der oberen Ecke des ersten Separators 82 getrennt, und der erste gerade Abschnitt 92a und der zweite gerade Abschnitt 92b sind an der unteren Ecke des ersten Separators 82 getrennt. An den jeweiligen oberen und unteren Ecken des ersten Separators 82 sind Verstärkungsrippen 88 gebildet.
Bei der dritten Ausführungsform sind die ersten geraden Abschnitte 84a, 86a, 90a, 92a und die zweiten geraden Abschnitte 84b, 86b, 90b, 92b zu den vier Ecken des ersten Separators 82 hin abgewinkelt. Daher sind die Bereiche der Öffnungen des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 84, des Brennstoffgas-Abführungsdurchgangs 86, des Brennstoffgas-Zuführungsdurchgangs 90 und des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 92 groß, und das Ausnutzungsverhältnis der Elektrodenoberflächen (der Bereich der Elektrodenoberflächen in Bezug auf den Bereich der Oberflächen des ersten Separators 82) verbessert sich effektiv.
8 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator 100 einer Brennstoffzelle gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Der erste Separator 100 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 102 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 104 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 102 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 102a, 102b getrennt, und der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 104 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 104a, 104b getrennt. Die ersten geraden Abschnitte 102a, 104a sind in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt, und die zweiten geraden Abschnitte 102b, 104b sind in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt.
Der erste gerade Abschnitt 102a und der zweite gerade Abschnitt 102b sind an einer oberen Ecke des ersten Separators 100 getrennt, und der erste gerade Abschnitt 104a und der zweite gerade Abschnitt 104b sind an einer unteren Ecke des ersten Separators 100 getrennt. An den jeweiligen Ecken sind Verstärkungsrippen 105 gebildet. Die Rippen 105 weisen Löcher 106 für die Einführung von Stapel-Befestigungs- bzw. Stapel-Spannbolzen (oder Positionierungsstößen) auf.
Der erste Separator 100 weist einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 108 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 110 am anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 108 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 108a, 108b getrennt, und der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 110 enthält erste und zweite gerade Abschnitte 110a, 110b getrennt. Die ersten geraden Abschnitte 108a, 110a sind in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt, und die zweiten geraden Abschnitte 108b, 110b sind in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt.
Der erste gerade Abschnitt 108a und der zweite gerade Abschnitt 108b sind an einer oberen Ecke des ersten Separators 100 getrennt, und der erste gerade Abschnitt 110a und der zweite gerade Abschnitt 110b sind an einer unteren Ecke des ersten Separators 100 getrennt. An den jeweiligen oberen und unteren Ecken sind Rippen 105 gebildet. Die Rippen 105 weisen Löcher 106 für die Einführung von Stapel-Befestigungsbolzen (oder Positionierungsstößen) auf.
In bzw. mit der vierten Ausführungsform können dieselben Vorteile wie mit der zweiten Ausführungsform erzielt werden. Ferner sind an den vier Ecken die Löcher 106 gebildet. Mit den Löchern 106 kann eine Befestigung bzw. ein Spannen oder Positionieren der gesamten Brennstoffzelle ausgeführt werden.
9 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator 120 einer Brennstoffzelle gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Der erste Separator 120 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 122, einen Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 124 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 126 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der erste Separator 120 weist einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 128, einen Kühlmittel-Abführungsdurchgang 130 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 132 an dem anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 122 enthält einen ersten geraden Abschnitt 122a, der in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung verläuft, und einen zweiten geraden Abschnitt 122b, der in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung verläuft. Der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 126 enthält einen ersten geraden Abschnitt 126a, der sich in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung erstreckt, und einen zweiten geraden Abschnitt 126b, der sich in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung erstreckt. Die ersten geraden Abschnitte 122a, 126a sind relativ langgestreckt zu einem im Wesentlichen mittleren Bereich des ersten Separators 120.
In entsprechender Weise enthält der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 128 einen ersten geraden Abschnitt 128a, der sich in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung erstreckt, und einen zweiten geraden Abschnitt 128b, der sich in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung erstreckt. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 132 enthält einen ersten geraden Abschnitt 132a, der sich in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung erstreckt, und einen zweiten geraden Abschnitt 132b, der sich in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung erstreckt. Die ersten geraden Abschnitte 128a, 132a sind relativ langgestreckt zu einem im Wesentlichen mittleren Bereich des ersten Separators 120.
Bei bzw. in der fünften Ausführungsform sind die ersten geraden Abschnitte 122a, 126a und die ersten geraden Abschnitte 128a, 132a langgestreckt zu den im Wesentlichen mittleren Bereichen des ersten Separators 120. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 122 und der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 132 sind einander benachbart. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 128 und der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 126 sind einander benachbart. Daher ist der Druckverlust des Brennstoffgases in vorteilhafter Weise verringert.
10 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator 140 einer Brennstoffzelle gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Der erste Separator 140 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 20 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 26 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Ferner weist der erste Separator 140 einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 24 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 22 an dem anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf.
Ein Sauerstoff enthaltendes Gas-Strömungsfeld (Reaktantgas-Strömungsfeld) 142 wird bzw. ist auf einer Oberfläche 140a des ersten Separators 140 gebildet. Das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 142 enthält erste und zweite Puffer 144a, 144b nahe des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 20 und des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 26, d. h. an oberen und unteren Positionen eines Endes des ersten Separators 140 in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung. Die ersten und zweiten Puffer 144a, 144b sind durch eine Vielzahl von Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 146 verbunden, die eine im Wesentlichen U-Form aufweisen.
11 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator 150 einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Der Aufbau bzw. die Struktur des ersten Separators 150 wird durch Kombinieren des Aufbaus bzw. der Struktur des ersten Separators 120 und des Aufbaus bzw. der Struktur des ersten Separators 140 erreicht. Der erste Separator 150 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 122, einen Kühlmittel-Zuführungsdurchgang 124 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 132 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Ferner weist der erste Separator 150 einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 128, einen Kühlmittel-Abführungsdurchgang 130 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 126 an dem anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf.
12 ist eine Vorderansicht, die einen ersten Separator 160 einer Brennstoffzelle gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Der erste Separator 160 weist eine im Wesentlichen quadratische Form auf. Der erste Separator 160 weist einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgang 162 und einen Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 164 an einem Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf.
Der Sauerstoff enthaltende Gas-Zuführungsdurchgang 162 enthält einen ersten geraden Abschnitt 162a, der in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt ist, und einen zweiten geraden Abschnitt 162b, der in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt ist. Der Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 164 ist in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt.
Der erste Separator 160 weist einen Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 166 und einen Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 168 an dem anderen Ende in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung auf. Der Brennstoffgas-Zuführungsdurchgang 166 weist einen ersten geraden Abschnitt 166a, der in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt ist, und einen zweiten geraden Abschnitt 166b auf, der in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt ist. Der Sauerstoff enthaltende Gas-Abführungsdurchgang 168 enthält einen ersten geraden Abschnitt 168a, der in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung langgestreckt ist, und einen zweiten geraden Abschnitt 168b, der in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung langgestreckt ist.
Der Querschnittsbereich der Öffnung des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 162 ist größer als der Querschnittsbereich der Öffnung des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 168. Der Querschnittsbereich des Brennstoffgas-Zuführungsdurchgangs 166 ist größer als der Querschnittsbereich der Öffnung des Brennstoffgas-Zuführungsdurchgangs 164.
Der erste Separator 160 weist ein Sauerstoff enthaltendes Gas-Strömungsfeld (Reaktantgas-Strömungsfeld) 170 auf seiner einer (nicht dargestellten) Kathode zugewandten Oberfläche 160a auf. Das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 170 enthält einen ersten Puffer 172a nahe des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 162 und einen zweiten Puffer 172b nahe des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 168 sowie eine Vielzahl von im Wesentlichen geraden, Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 174, die zwischen den ersten und zweiten Puffern 172a, 172b angeschlossen sind. Die geraden, Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 174 verlaufen parallel zueinander in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung. Die im Wesentlichen geraden Nuten enthalten hier Wellenmuster-Nuten, die längs der Strömungsrichtung des Sauerstoff enthaltenden Gases (Reaktantgas) gekrümmt oder gebogen sind.
Eine Einlass-Endposition T1 des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 170 ist im Wesentlichen zu einer Endposition des ersten geraden Abschnitts 162a des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 162 in Ausrichtung, der sich in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung erstreckt. In entsprechender Weise sind eine Auslass-Endposition T2 des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 170 im Wesentlichen zu einer Endposition des ersten geraden Abschnitts 168a des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 168 in Ausrichtung, der sich in der durch den Pfeil B bezeichneten Richtung erstreckt.
Bei bzw. in der achten Ausführungsform enthält das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 170 die Vielzahl von im Wesentlichen geraden Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 174 zwischen den ersten und zweiten Puffern 172a, 172b. Daher ist der Druckverlust des Sauerstoff enthaltenden Gases in dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeld 170 minimiert. Insbesondere dann, wenn die Elektrodenoberfläche eine im Wesentlichen quadratische Form aufweist, ist die Außenumfangsabmessung des ersten Separator 160 minimiert. Ferner ist es möglich, die Wärmerückhalteeigenschaft des ersten Separator 160 zu verbessern.
Ferner ist die Einlass-Endposition T1 des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 170 im Wesentlichen mit der Endposition des ersten geraden Abschnitts 162a des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 162 in Ausrichtung, der sich zu dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeld 170 erstreckt. Falls sich das Ende des ersten geraden Abschnitts 162a nach innen zu dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeld 170 über die Einlass-Endposition T1 des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 170 hinaus erstreckt (siehe die doppelt strichpunktierte Linie in 12), kann das Sauerstoff enthaltende Gas nicht von dem Ende in das Sauerstoff enthaltende Gas-Strömungsfeld 170 strömen.
Da die Endposition des ersten geraden Abschnitts 162a sich in Ausrichtung mit der Einlass-Endposition T1 des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 170 befindet, ist es möglich, das Sauerstoff enthaltende Gas in der Breiten-Richtung des Sauerstoff enthaltenden Gases (der Richtung rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsnuten 174) zuzuführen. Daher kann die gewünschte Energieerzeugungsfunktion erreicht werden.
In entsprechender Weise befindet sich in dem Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 168 eine Endposition des ersten geraden Abschnitts 168a im Wesentlichen in Ausrichtung zu einer Auslass-Endposition T2 des Sauerstoff enthaltenden Gas-Strömungsfeldes 170. Somit wird das Sauerstoff enthaltende Gas gleichmäßig in den gesamten, Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgang 168 abgeführt.
Ferner ist der Querschnittsbereich der Öffnung des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 162 größer als der Querschnittsbereich der Öffnung des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 168. Die Strömungsrate des Sauerstoff enthaltenden Gases nahe des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 168 ist gering nach Verbrauch des Sauerstoff enthaltenden Gases. Da der Querschnittsbereich der Öffnung des Sauerstoff enthaltenden Gas-Abführungsdurchgangs 168 kleiner ist als der Querschnittsbereich der Öffnung des Sauerstoff enthaltenden Gas-Zuführungsdurchgangs 162, strömt das Sauerstoff enthaltende Gas gleichmäßig.
In entsprechender Weise ist der Querschnittsbereich der Öffnung des Brennstoffgas-Zuführungsdurchgangs 166 größer als der Querschnittsbereich der Öffnung des Brennstoffgas-Abführungsdurchgangs 164. Die Strömungsrate des Brennstoffgases ist nach Verbrauch des Brennstoffgases gering, und das Brennstoffgas wird gleichmäßig in den Brennstoffgas-Abführungsdurchgang 164 abgeführt. Die Strömungsrate des abgeführten Brennstoffgases ist im Vergleich zu der Strömungsrate des abgeführten, Sauerstoff enthaltenden Gases beträchtlich klein. Daher ist der Querschnittsbereich der Öffnung des Brennstoffgas-Abführungsdurchgangs 164 minimiert.
Bei den ersten bis achten Ausführungsformen strömen die Reaktantgase, das sind das Sauerstoff enthaltende Gas und das Brennstoffgas, nach unten. Alternativ können die Ausführungsformen derart modifiziert werden, dass die Reaktantgase nach oben strömen.
Ferner sind bei den Ausführungsformen die Komponenten der Brennstoffzelle horizontal gestapelt. Die Ausführungsformen können derart modifiziert werden, dass die Komponenten vertikal gestapelt sind.
Industrielle Anwendbarkeit
In der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung enthält zumindest der Zuführungsdurchgang oder der Abführungsdurchgang für das Reaktantgas die ersten und zweiten geraden Abschnitte, die längs der beiden Seiten des Separators verlaufen. Daher wird das Reaktantgas dem Reaktant-Strömungsfeld aus unterschiedlichen Richtungen dem Reaktant-Strömungsfeld zugeführt, um ein Zusammentreffen bzw. eine Kollision der Ströme aus den unterschiedlichen Richtungen hervorzurufen, und das Reaktantgas wird in dem Reaktantgas-Strömungsfeld gleichmäßig verteilt. Daher wird das Reaktantgas an die Elektrodenoberfläche gleichmäßig und zuverlässig abgegeben. Ferner ist im Vergleich mit dem konventionellen Aufbau der Bereich des Strömungsfeldes zur Leitung des Reaktantgases von dem Reaktantgas-Durchgang zur Elektrodenoberfläche groß. Somit ist der Druckverlust in dem Durchgang effektiv verringert. Demgemäß ist der dünne Zellaufbau bzw. die dünne Zellstruktur ohne Verwendung irgendeines großen Kompressors oder dgl. zur Lieferung des Reaktantgases leicht erreicht.
Die Strömungsdurchgänge sind an äußeren Rändern des Separators, einschließlich der Ecken des Separators vorgesehen. Daher ist das Ausnutzungsverhältnis der Elektrodenoberfläche des Separators effektiv verbessert. Demgemäß sind die Gesamtgröße und das Gewicht der Brennstoffzelle verringert.
Ferner ist die Elektrodenoberfläche von den Fluiddurchgängen umgeben, die an den Außenkanten bzw. Außenrändern des Separators gebildet sind. Daher wird die Elektrodenoberfläche durch die äußere Oberfläche nicht direkt gekühlt, und die Wasserkondensation in der Elektrodenoberfläche ist verhindert. Deshalb ist es möglich, die Menge des Kondensationswassers in der Elektrodenoberfläche zu verringern und die Verringerung in der Energieerzeugungsleistung zu verhindern.

Claims

Brennstoffzelle, die durch abwechselndes Stapeln einer Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (14) und eines Paares von Separatoren (16) gebildet ist, wobei die betreffende Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (14) ein Paar von Elektroden und einen zwischen die betreffenden Elektroden eingefügten Elektrolyten enthält, wobei ein Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20) und ein Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26) sich durch die betreffenden Separatoren (16) in einer Stapelungsrichtung zumindest für die Abgabe eines Sauerstoff enthaltenden Gases oder eines Brennstoffgases als Reaktantgas zu einem Reaktantgas-Strömungsfeld (38), welches in einer Separatoroberfläche gebildet ist, die der genannten Membran-Elektroden-Anordnung (14) zugewandt ist, und für die Abführung des betreffenden Reaktantgases aus dem betreffenden Reaktantgas-Strömungsfeld (38) erstrecken, und zumindest der betreffende Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20) oder der genannte Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26) erste und zweite gerade Abschnitte (20a, 20b, 26a, 26b) enthalten, die längs zweier Seiten von einer Ecke des betreffenden Separators (16) langgestreckt sind, und Puffer (40a, 40b) an Ecken des betreffenden Separators (16) vorgesehen sind und die betreffenden Puffer (40a, 40b) zwischen dem genannten Reaktantgas-Strömungsfeld (38) und dem genannten Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20) sowie zwischen dem genannten Reaktantgas-Strömungsfeld und dem genannten Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26) verbunden sind, wobei beide der ersten und zweiten geraden Abschnitte (20a, 20b, 26a, 26b) mit wenigstens einem Puffer (40a, 40b) verbunden sind, und wobei der Separator (16) eine rechteckige Form in Draufsicht aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der genannte erste gerade Abschnitt (72a) und der genannte zweite gerade Abschnitt (72b) an der Ecke des betreffenden Separators (70) unter Bildung einer Rippe (76) zwischen den betreffenden ersten und zweiten geraden Abschnitten (72a, 72b) voneinander getrennt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die genannte Rippe (105) ein Loch (106) zur Einführung eines Stapel-Befestigungsbolzens oder eines Positionierungsstoßes aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Kühlmittel-Zuführungsdurchgang (28) und ein Kühlmittel-Abführungsdurchgang (30) sich durch die betreffenden Separatoren (16) in der Stapelungsrichtung zur Zuführung und zur Abführung eines Kühlmittels erstrecken und wobei der betreffende Reaktantgas-Zuführungsdurchgang (20), der genannte Reaktantgas-Abführungsdurchgang (26), der genannte Kühlmittel-Zuführungsdurchgang (28) und der genannte Kühlmittel-Abführungsdurchgang (30) um eine Elektrodenfläche der genannten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (14) gebildet sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die genannte Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (14) und der genannten Separator (16) horizontal gestapelt sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Durchgang der genannten Reaktantgas-Zuführungsdurchgänge (20) und zumindest ein Durchgang der Reaktantgas-Abführungsdurchgänge (26) um die Ecken an diagonalen Positionen des genannten Separators (16) vorgesehen sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest eines der genannten Reaktantgas-Strömungsfelder (142) eine U-förmige Nut in einer Separatoroberfläche enthält und einer der genannten Reaktantgas-Zuführungsdurchgänge (20) sowie einer der genannten Reaktantgas-Abführungsdurchgänge (26), die mit einem der genannten Reaktantgas-Strömungsfelder (142) verbunden sind, um die benachbarten Ecken des betreffenden Separators (140) vorgesehen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei der genannte Separator (160) in einer Draufsicht eine quadratische Form aufweist, wobei ein Einlasspuffer (172a) nahe zumindest eines der betreffenden Reaktantgas-Zuführungsdurchgänge (162) und ein Auslasspuffer (172b) nahe zumindest eines der betreffenden Reaktantgas-Abführungsdurchgänge (168) vorgesehen sind und wobei das genannte Reaktantgas-Strömungsfeld (170) gerade Nuten zwischen dem genannten Einlasspuffer (172a) und dem genannten Auslasspuffer (172b) enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei zumindest eine Position einer Einlass-Endposition und einer Auslass-Endposition des genannten Reaktantgas-Strömungsfeldes (170) sich in Ausrichtung zu bzw. mit zumindest einer Endposition des genannten Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs (162) und einer Endposition des genannten Reaktantgas-Abführungsdurchgangs (168) befindet, der sich zu dem genannten Reaktantgas-Strömungsfeld (170) erstreckt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Querschnittsbereich der Öffnung des genannten Reaktantgas-Zuführungsdurchgangs (20) größer ist als der Querschnittsbereich der Öffnung des genannten Reaktantgas-Abführungsdurchgangs (26).