DE112007001118T5

DE112007001118T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007001118T5
Application number: DE112007001118T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Toyota-shi SATO; Takashi Toyota-shi Kajiwara; Yutaka Toyota-shi Hotta; Satoshi Toyota-shi Futami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2007148176A1; CA2650982A1; US20090130519A1; JP2007335353A; CN101449411B; CA2650982C; CN101449411A

Abstract

Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:
einen Leistungserzeugungsabschnitt, der eine elektrolytische Membran und eine Elektrode einschließt;
Separatoren, die zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet sind, um Strom, der vom Leistungserzeugungsabschnitt erzeugt wird, zu sammeln, und die als Trennwände dienen;
eine Dichtung, die an einem Außenumfangsabschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts vorgesehen ist, um ein Austreten von Reaktionsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verhindern;
ein poröses Element mit einer vorgegebenen Porosität, das zwischen dem Separator und mindestens einer Seite des Leistungserzeugungsabschnitts anliegend angeordnet ist und das als Strömungskanal dient, durch den das Reaktionsgas dem Leistungserzeugungsabschnitt zugeführt wird, wobei der Separator einen konvexen Abschnitt aufweist, der an einer Position vorgesehen ist, die einem Außenumfang des porösen Elements entspricht, und in Richtung des Leistungserzeugungsabschnitts entlang mindestens einer Seite des Außenumfanges des porösen Elements übersteht; sowie
ein eingebettetes Element zwischen dem konvexen Abschnitt des Separators und einer Außenumfangsfläche des porösen...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, der Reaktionsgase zugeführt werden und die unter Verwendung der zugeführten Reaktionsgase elektrische Leistung erzeugt.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In der Regel sind in einer Brennstoffzelle ein Leistungserzeugungsabschnitt, der eine elektrolytische Membran und Elektrodenkatalysatorschichten aufweist, und ein Separator, der als Trennwand dient, gestapelt. Eine Vielzahl von Strukturen für die Brennstoffzelle sind bereits vorgeschlagen worden.
Beispielsweise wurde ein Aufbau für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, in dem poröse Elemente mit einer vorgegebenen Porosität als Gasströmungskanäle verwendet werden und die Reaktionsgase für die Leistungserzeugung dem Leistungserzeugungsabschnitt über die porösen Elemente zugeführt werden. Die Brennstoffzelle ist mit einer Dichtung versehen, die einen Lippenabschnitt (d. h. eine Dichtungslinie) auf dem Außenumfang des Leistungserzeugungsabschnitts aufweist, um ein Austreten der Reaktionsgase zu verhindern. Übrigens sind die porösen Elemente zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet, und der Separator ist auf den Außenseiten der porösen Elemente angeordnet.
Ferner beschreibt die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-231274 (im Folgenden als „ JP-A-2002-231274 " bezeichnet) eine Brennstoffzelle, bei der eine Dichtung und ein Leistungserzeugungsabschnitt als Einheit über ein flächiges Rahmengebilde ausgebildet sind, um Positionsabweichungen der Dichtung zu verhindern.
Jedoch werden in der Brennstoffzelle mit den porösen Elementen und der Dichtung, die in JP-A-231274 beschrieben ist, aus strukturellen Gründen Lücken (Abstände) zwischen dem Separator, der Dichtung und den Außenumfangsflächen der porösen Elemente erzeugt. Wenn die Reaktionsgase den porösen Elementen in der genannten Brennstoffzelle zugeführt werden, strömen die Reaktionsgase aus den Außenumfangsflächen der jeweiligen porösen Elemente zu den Lücken, wo der Strömungswiderstand relativ niedrig ist (ein solcher Strom des Reaktionsgases wird nachstehend als „Abstrom" bezeichnet). Die Reaktionsgase, die zu den Lücken, wo der Strömungswiderstand relativ niedrig ist, hin ausströmen, werden weder dem Leistungserzeugungsabschnitt zugeführt, noch werden sie für elektrochemische Reaktionen der Brennstoffzelle verwendet. Daher nimmt der Nutzungsgrad der Reaktionsgase ab, und der Leistungserzeugungsgrad nimmt ebenfalls ab.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft eine Brennstoffzelle, die das Abströmen von Reaktionsgasen in Richtung auf die Lücken verhindert.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die Folgendes aufweist: einen Leistungserzeugungsabschnitt, der eine elektrolytische Membran und eine Elektrode aufweist; Separatoren, die zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet sind, um Strom, der vom Leistungserzeugungsabschnitt erzeugt wird, zu sammeln, und die als Trennwände dienen; eine Dichtung, die an einem Außenumfangsabschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts vorgesehen ist, um ein Austreten von Reaktionsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verhindern; ein poröses Element mit einer vorgegebenen Porosität, das zwischen dem Separator und mindestens einer Seite des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet ist und das als Strömungskanal dient, durch den das Reaktionsgas dem Leistungserzeugungsabschnitt zugeführt wird. Der Separator weist einen konvexen Abschnitt auf, der an einer Position vorgesehen ist, die einem Außenumfang des porösen Elements entspricht, und steht entlang mindestens einer Seite des Außenumfanges des porösen Elements in Richtung des Leistungserzeugungsabschnitts vor. Ferner ist ein eingebettetes Element zwischen dem konvexen Abschnitt des Separators und einer Außenumfangsfläche des porösen Elements vorgesehen.
Gemäß der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird auch dann, wenn das Reaktionsgas, das dem porösen Element zugeführt wurde, über die Außenumfangsfläche des porösen Elements zu einer Lücke zu strömen versucht, das Reaktionsgas durch das eingebettete Element und den konvexen Abschnitt aufgehalten. Somit kommt es kaum zu einem Abströmen des Reaktionsgases in die Lücke.
Infolgedessen verhindert die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, dass das Reaktionsgas in die Lücke zwischen dem Separator, der Dichtung und dem porösen Element strömt. Das heißt, es kommt zu keinem Abströmen des Reaktionsgases in die Lücke. Daher kann das Reaktionsgas, das dem porösen Element zugeführt wird, zuverlässig dem Leistungserzeugungsabschnitt bereitgestellt und für chemische Reaktionen verwendet werden. Infolgedessen steigt der Nutzungsgrad des Reaktionsgases und der Leistungserzeugungsgrad steigt entsprechend.
Die oben beschriebene Brennstoffzelle kann so beschaffen sein, dass die Dichtung zwischen den konvexen Abschnitten des Separators anliegend angeordnet wird, wenn der Separator zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet wird.
Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass eine Porosität des eingebetteten Elements geringer ist als die vorgegebene Porosität des porösen Elements. In diesem Fall ist die Porosität des eingebetteten Elements, das die Lücke zwischen dem konvexen Abschnitt des Separators und der Außenumfangsfläche des porösen Elements füllt, niedriger als die Porosität des porösen Elements, und daher strömt das Reaktionsgas, nachdem es dem porösen Element zugeführt wurde, durch das Innere des porösen Elements, wo die Porosität relativ hoch ist und der Druckverlust relativ niedrig ist.
Die oben beschriebene Brennstoffzelle kann so beschaffen sein, dass das poröse Element eine rechtwinklige Form aufweist, und wenn die Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases, das durch das poröse Element strömt, im Wesentlichen parallel zu zwei einander gegenüber liegenden Seiten des rechtwinkligen porösen Elements ist, ist der konvexe Abschnitt des Separators entlang der beiden einander gegenüber liegenden Seiten vorgesehen.
Es besteht die Tendenz dazu, dass ein Abströmen des Reaktionsgases an denjenigen Umfangsflächen des porösen Elements stattfindet, die sich im Wesentlichen parallel zum Strom des Reaktionsgases erstrecken. Daher reicht es aus, den konvexen Abschnitt an den Positionen vorzusehen, die solchen Umfangsflächen des porösen Elements entsprechen.
Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass der konvexe Abschnitt des Separators an einer Position vorgesehen ist, wo der gesamte Außenumfang des porösen Elements umgeben wird.
Gemäß diesem Aufbau ist der konvexe Abschnitt so vorgesehen, dass er den gesamten Außenumfang des porösen Elements umgibt, und daher kann ein Abströmen des Reaktionsgases fast vollständig verhindert werden.
Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass der Leistungserzeugungsabschnitt und die Dichtung durch Einfügen des Außenumfangsabschnitts des Leistungserzeugungsabschnitts in einen Teil der Dichtung als Einheit ausgebildet werden und beide Seiten des Abschnitts der Dichtung, in den der Außenumfangsabschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts eingefügt ist, zwischen den konvexen Abschnitten des Separators anliegend angeordnet werden, wenn der Separator zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet wird.
Gemäß diesem Aufbau ist der Abschnitt der Dichtung, in den der Außenumfangsabschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts eingefügt ist, die Verbindungsstelle zwischen der Dichtung und dem Leistungserzeugungsabschnitt, und dadurch, dass er zwischen den konvexen Abschnitten des Separators anliegend angeordnet wird, wird daher verhindert, dass sich die Dichtung und der Leistungserzeugungsabschnitt an der Verbindungsstelle voneinander lösen.
Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass das eingebettete Element klebende Eigenschaften aufweist, um den Separator und das poröse Element aneinander zu befestigen. Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass das eingebettete Element aus Harz besteht.
Wenn das eingebettete Element eine solche Haftwirkung aufweist, können der Separator und das poröse Element zuverlässig als Einheit ausgebildet werden, wodurch verhindert wird, dass das poröse Element sich lockert und von seiner Position abweicht.
Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass der Separator aus einer Metallplatte besteht und der konvexe Abschnitt des Separators durch Pressen der Metallplatte gebildet wird. Ferner kann die oben beschriebene Brennstoffzelle so beschaffen sein, dass der Separator aus Metallplatten besteht und der konvexe Abschnitt des Separators dadurch gebildet wird, dass ein Ätzen und/oder ein Spanen der Metallplatte durchgeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung deutlich, worin gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und worin:
1 eine Darstellung ist, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 eine Darstellung eines Querschnitts gemäß einer Stapelrichtung eines Teils der Brennstoffzelle im ersten Ausführungsbeispiel ist;
3 eine Darstellung eines Querschnitts gemäß einer Stapelrichtung eines Teils der Brennstoffzelle in einer verwandten Technik ist;
4 eine Darstellung ist, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und
5 eine Darstellung eines Querschnitts gemäß einer Stapelrichtung eines Teils der Brennstoffzelle im zweiten Ausführungsbeispiel ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
1 ist eine Darstellung, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die mit Wasserstoffgas und Luft beliefert wird und die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Leistung erzeugt. Die Brennstoffzelle 10 ist in ein Fahrzeug eingebaut und wird als Leistungsquelle für die Erzeugung der Antriebsleistung des Fahrzeugs verwendet.
Wie in 1 dargestellt, weist die Brennstoffzelle hauptsächlich auf: einen Leistungserzeugungsabschnitt 20, der eine elektrolytische Membran 21 aufweist; poröse Elemente 26, 27, die als Reaktionsgaskanäle dienen, wo Luft und Wasserstoffgas (im Folgenden als „Reaktionsgase" bezeichnet) strömen; und einen Separator 40, der die elektrische Leistung, die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, sammelt und auch als Trennwände dient. In der Brennstoffzelle 10 sind der Separator 40, das poröse Element 27, der Leistungserzeugungsabschnitt 20, das poröse Element 26 und der Separator 40 in dieser Reihenfolge übereinander gestapelt. Die gestapelten Zellen sind zwischen Endplatten 86, 86 angeordnet, die zu beiden Seiten an ihnen anliegen, wodurch die Brennstoffzelle 10 gebildet wird.
Ebenso sind beispielsweise Durchgangsöffnungen zum Zuführen und Abführen der Reaktionsgase in der Endplatte 85 ausgebildet. Die Reaktionsgase werden von externen Komponenten, wie einem Wasserstofftank und einem Kompressor (nicht dargestellt), weich strömend über die Durchgangsöffnungen in das Innere der Brennstoffzelle geliefert.
Eine Membran/Elektroden/Dichtung-Anordnung 25 (nachstehend als „MEGA" bezeichnet) und eine Dichtung 30, die so angeordnet ist, dass sie den Außenumfang der MEGA 25 umgibt, sind als Einheit ausgebildet und bilden den Leistungserzeugungsabschnitt 20. Die MEGA 25 wird durch Anordnen von Gasdiffusionsschichten 23a, 23b zu beiden Seiten einer Membran/Elektroden-Anordnung 24 (nachstehend als „MEA" bezeichnet), die eine feste Polymerelektrolytmembran 21 aufweist, aufgebaut.
Die MEA 24, die Bestandteil der MEGA 25 ist, weist Elektrodenkatalysatorschichten 22a, 22b auf, die auf den Oberflächen der Elektrolytmembran 21 ausgebildet sind. Die Elektrodenkatalysatorschicht 22a ist auf der Kathodenseite der MEA 24 vorgesehen und die Elektrodenkatalysatorschicht 22b ist auf der Anodenseite der MEA vorgesehen. Die Elektrolytmembran 21 kann eine dünne Membran sein, die eine Protonenleitfähigkeit aufweist, und besteht aus festem Polymermaterial mit guter elektrischer Leitfähigkeit unter feuchten und nassen Bedingungen. Die Elektrolytmembran 21 weist eine rechtwinklige Außenform auf, die kleiner ist als die rechtwinklige Außenform des Separators 40. Die Elektrodenkatalysatorschichten 22a, 22b sind auf den Oberflächen der elektrolytischen Membran 21 ausgebildet und enthalten Katalysator, wie Platin, der eine elektrochemische Reaktion beschleunigt.
Die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b auf den Außenseiten der MEA 24 sind poröse Elemente, die aus Kohlenstoff mit einer Porosität von 60–70% bestehen. Beispielsweise können Kohletücher oder Kohlepapiere als Gasdiffusionsschichten 23a, 23b verwendet werden. Die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b aus diesem Material werden an der MEA 24 befestigt, um die MEGA 25 zu bilden. Die Gasdiffusionsschicht 23a ist auf der Kathodenseite der MEA 24 vorgesehen, und die Gasdiffusionsschicht 23b ist auf der Anodenseite vorgesehen. Die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b diffundieren die zugeführten Reaktionsgase in ihren Dickenrichtungen, so dass die Reaktionsgase zu den gesamten Oberflächen der Elektrodenkatalysatorschichten 22a bzw. 22b geliefert werden.
Die Dichtung 30, die den Außenumfang der MEGA 25 umgibt, besteht aus einem isolierenden Harzmaterial aus elastischem Kautschuk, wie z. B. Siliciumkautschuk, Butylkautschuk, Fluorkautschuk. Wie in 2 dargestellt, wird die Dichtung 30 auf dem Außenumfang der MEGA 25 durch Spritzgießen so ausgebildet, dass der Außenumfangsabschnitt der MEGA 25 teilweise in die Dichtung 30 eingefügt ist, wodurch die Dichtung 30 an der MEGA befestigt wird.
Die Dichtung 30 ist im Wesentlichen in rechteckiger Form und genauso groß wie der Separator 40 ausgebildet. Durchgangsöffnungen, die als Zweigleitungen für die Reaktionsgase und Kühlwasser dienen, sind entlang den vier Seiten der Dichtung 30 vorgesehen. Da die Durchgangsöffnungen für die Zweigleitungen mit den Durchgangsöffnungen, die im Separator 40 ausgebildet sind, in Verbindung stehen, werden die Durchgangsöffnungen für die Zweigleitungen später mit den Erläuterungen zum Separator 40 erklärt.
Lippenabschnitte 30a, die konvex in Dickenrichtung der Dichtung 30 vorstehen, sind solchermaßen um die Durchgangsöffnungen für die Zweigleitungen herum vorgesehen, dass die entsprechenden Durchgangsöffnungen für die Zweigleitungen von den entsprechenden Lippenabschnitten 30a umgeben sind. Ein Lippenabschnitt 30b mit der gleichen Form wie die jeweiligen Lippenabschnitte 30a ist um den freiliegenden Abschnitt der MEGA 25 herum so vorgesehen, dass er den freiliegenden Abschnitt der MEGA 25 umgibt. Jeder der Lippenabschnitte 30a kann auch als Abschnitt des Lippen abschnitts 30b dienen, der den freiliegenden Abschnitt der MEGA 25 umgibt. Die Lippenabschnitte 30a, 30b liegen am Separator 40 an, der an zwei Seiten an der Dichtung 30 anliegt. Somit werden die Lippenabschnitte 30a, 30b durch Aufnehmen der vorgegebenen Klemmkraft in der Richtung, in der die Zellen in der Brennstoffzelle 10 gestapelt sind, komprimiert und verformt. Somit bilden die Lippenabschnitte 30a, 30b, wie in 2 dargestellt, Dichtungslinien SL, die verhindern, dass Fluide (Wasserstoff, Luft, Kühlwasser), die durch die jeweiligen Zweigleitungen strömen, austreten und dass die Reaktionsgase, die in den porösen Elementen 26, 27 strömen, austreten.
Um zu verhindern, dass Fluide aus der Brennstoffzelle 10 austreten, verwendet die Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels den Aufbau, in dem die Dichtung 30 in jeder Zelle eingeklemmt wird, anstelle der Struktur, in der Harzrahmen oder dergleichen zwischen einem Separator anliegend angeordnet und durch Klebstoff fixiert werden. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist es daher möglich, die Zahl der notwendigen Teile (z. B. Harzrahmen) zu verringern und damit das Volumen und das Gewicht der Brennstoffzelle 10 zu verringern.
Nun werden die porösen Elemente 26, 27, durch die die entsprechenden Reaktionsgase strömen, beschrieben. Die porösen Elemente 26, 27 können poröse Metallelemente sein, die eine Anzahl von Poren aufweisen, beispielsweise geschäumtes Metall und Metallgitter, das aus Edelstahl, Titan und Titanlegierung besteht. Die porösen Elemente 26, 27 sind kleiner als die MEGA 25 und weisen eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Ferner sind die porösen Elemente 26, 27 so ausgebildet, dass sie eine Größe aufweisen, die in die Dichtung 30 passt.
Die Porosität der porösen Elemente 26, 27 beträgt etwa 70–80% und ist daher größer als die Porosität der Gasdiffusionsschichten 23a, 23b, die Bestandteil der MEGA 25 sind. Die porösen Elemente 26, 27 dienen als Strömungskanäle für die Zuführung der Reaktionsgase zur MEGA 25.
Beispielsweise ist das poröse Element 26 zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 (d. h. der Kathodenseite der MEA 24) und dem Separator 40 angeordnet. Die Luft, die über den Separator 40 zugeführt wird, strömt wie in 1 dargestellt in Richtung von „OBEN" nach „UNTEN" durch das poröse Element. Während sie auf diese Weise strömt, wird die Luft zur Kathodenseite der MEGA 25 geliefert.
Andererseits ist das poröse Element 27 zwischen der Anodenseite der MEGA 25 (d. h. der Anodenseite der MEA 24) und dem Separator 40 angeordnet. Das Wasserstoffgas, das über den Separator 40 zugeführt wird, strömt wie in 1 dargestellt in Richtung von „RECHTS" nach „LINKS" durch das poröse Element 26. Während sie auf diese Weise strömt, wird die Luft zur Anodenseite der MEGA 25 geliefert.
Das heißt, weil die porösen Elemente 26, 27 hauptsächlich vorgesehen sind, um zu bewirken, dass die Reaktionsgase in vorgegebenen Richtungen wie in 1 angegeben strömen, ist die Porosität der porösen Elemente 26, 27 relativ hoch, so dass die Druckverluste der Reaktionsgasströme vermieden werden und ein Ablaufen von Wasser daher erleichtert ist. Andererseits sind die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b hauptsächlich vorgesehen, um die Reaktionsgase in ihren Dickenrichtungen zu diffundieren, und daher ist die Porosität der Gasdiffusionsschichten 23a, 23b relativ niedrig.
Somit werden die Reaktionsgase durch die porösen Elemente 26, 27 zur MEGA 25 geliefert und dann aufgrund der Diffusionswirkungen der Gasdiffusionsschichten 23a, 23b zu den Elektrodenkatalysatorschichten 22a, 22b diffundiert, wodurch die diffundierten Reaktionsgase die elektrochemische Reaktion beginnen. Die elektrochemische Reaktion ist eine exotherme Reaktion, und Kühlwasser wird der Brennstoffzelle 10 zugeführt, damit die Brennstoffzelle 10 innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs betrieben werden kann.
Nun wird der Separator 40 beschrieben, der die elektrische Leistung sammelt, die von der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird. Der Separator 40 kann ein Dreilagenseparator sein, der aus drei dünnen Metallplatten besteht, die übereinander gestapelt sind. Genauer besteht der Separator 40 aus einer Kathodenplatte 41, die in Kontakt mit dem porösen Element 26, durch das Luft strömt, steht; einer Anodenplatte 43, die mit dem porösen Element 27, durch das Wasserstoffgas strömt, in Kontakt steht; und einer Mittelplatte 42, die zwischen der Kathodenplatte 41 und der Anodenplatte 43 anliegend angeordnet ist und hauptsächlich als Strömungskanal für das Kühlwasser dient.
Die drei Metallplatten 41, 42, 43 bestehen beispielsweise aus leitfähigem Metall, wie Edelstahl, Titan und Titanlegierung.
In den drei Metallplatten 41, 42, 43 sind Durchgangsöffnungen vorgesehen, die einen Teil der jeweiligen Zweigleitungen bilden. Genauer ist wie in 1 dargestellt eine Durchgangsöffnung für die Zufuhr von Luft in oberen Langseite des Separators 40, der im Wesentlichen rechteckig ist, ausgebildet, und eine Durchgangsöffnung für die Abfuhr von Luft ist wie in 1 dargestellt in der unteren Langseite des Separators 40 ausgebildet. Ferner ist wie in 1 gesehen eine Durchgangsöffnung für die Zufuhr von Wasserstoff im oberen Abschnitt der rechten Kurzseite des Separators 40 ausgebildet und wie in 1 gesehen ist eine Durchgangsöffnung für die Abfuhr von Wasserstoff im unteren Abschnitt der linken Kurzseite des Separators 40 ausgebildet. Ebenso ist wie in 1 gesehen eine Durchgangsöffnung für die Zufuhr von Kühlwasser im oberen Abschnitt der linken Kurzseite des Separators 40 ausgebildet, und wie in 1 gesehen ist eine Durchgangsöffnung für die Abfuhr von Kühlwasser im unteren Abschnitt der rechten Kurzseite des Separators 40 ausgebildet.
Zusätzlich zu den Durchgangsöffnungen der Zweigleitungen sind in der Kathodenplatte 41 mehrere Öffnungen 45, 46, die als Ein- und Auslässe für die Luft dienen, die dem porösen Element 26 zugeführt und aus diesem abgeführt wird, ausgebildet. Ebenso sind zusätzlich zu den Durchgangsbohrungen der Zweigleitungen mehrere (nicht dargestellte) Öffnungen, die als Ein- und Auslässe für das Wasserstoffgas dienen, das dem porösen Element zugeführt und aus diesem abgeführt wird, in den Anodenplatte 43 ausgebildet.
Von den Zweigleitungs-Durchgangsöffnungen, die in der Mittelplatte 42 ausgebildet sind, sind diejenigen Zweigleitungs-Durchgangsöffnungen, durch die Luft strömt, so ausgebildet, dass sie mit den Öffnungen 45, 46 in der Kathodenplatte 41 in Verbin dung stehen, und die Zweigleitungs-Durchgangsöffnungen, durch die Wasserstoffgas strömt, sind so ausgebildet, dass sie mit den Öffnungen in der Anodenplatte 43 in Verbindung stehen.
Ferner sind Kerben in Richtung einer Langseite, wo die Außenform im Wesentlichen rechteckig ist, in den Mittelplatten 42 ausgebildet, und beide Enden der Kerben stehen jeweils mit den Zweileitungs-Durchgangsöffnungen, durch die das Kühlwasser strömt, in Verbindung.
Somit werden durch Stapeln und Aneinanderfügen der drei Platten, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, die Strömungskanäle, durch welche verschiedenen Fluide strömen, im Separator 40 ausgebildet.
Im ersten Ausführungsbeispiel sind Rippen 41a, 43a an der Kathodenplatte 41 und der Anodenplatte 43 ausgebildet, wobei diese Rippen 41a, 43 in Richtung auf die Kontaktfläche des porösen Elements 26, 27 vorstehen und wie ein Streifen entlang des Außenumfanges des porösen Elements 26, 27 verlaufen, so dass sie das poröse Element 26, 27 umgeben. Die Rippe 43a der Anodenplatte 43 ist in 1 verdeckt.
Die Rippen 41a, 43a können beispielsweise durch Pressen der dünnen Metallplatten, aus denen die Kathodenplatte 41 und die Anodenplatte 43 bestehen, gebildet werden.
2 zeigt einen Querschnitt gemäß einer Stapelrichtung eines Teils der Brennstoffzelle 10 im ersten Ausführungsbeispiel. Genauer zeigt 2 den Querschnitt entlang der Linie X-X' in 1. Wie in 2 dargestellt, gelangt ein Teil der Luft, die in der Zweigleitung strömt, die durch Stapeln des Separators 40 und der Dichtung 30 gebildet wird, in das Innere des Separators 40 (d. h. in die Mittelplatte 42 des Separators 40) und erreicht dann über die Öffnung 45 das poröse Element 26. Das Gas, das in einer elektrochemischen Reaktion verwendet wurde, und die Luft, die in den elektrochemischen Reaktionen nicht verwendet wurde, strömen durch das poröse Element 26 und strömen in das Innere des Separators 40, nachdem sie über die Öffnungen 46 in die Zweigleitung gelangt sind. Obwohl die Erklärung des Strömens des Wasserstoffgases hierin nicht beschrieben ist, strömt Wasserstoffgas auf die gleiche Weise wie die Luft.
3 zeigt einen Querschnitt gemäß einer Stapelrichtung eines Teils der Brennstoffzelle 10 einer einschlägig verwandten Technik. Wie oben bemerkt, wird in der verwandten Technik eine Lücke A zwischen dem Separator 40, der Dichtung 30 und der Außenumfangsfläche des porösen Elements 26 gebildet, und eine Lücke B wird zwischen dem Separator 40, der Dichtung 30 und der Außenumfangsfläche des porösen Elements 27 ausgebildet, wie in 3 dargestellt. Die Reaktionsgase, die den porösen Elementen 26, 27 über den Separator 40 zugeführt werden, neigen dazu, zu den Lücken A, B zu strömen, wo fast kein Druckverlust vorliegt, statt zur Innenseite der porösen Elemente 26, 27 mit ihren vorgegebenen Porositäten zu strömen. Somit strömen die Reaktionsgase von den Außenumfangsflächen der porösen Elemente 26, 27 in die Lücken A bzw. B. Das heißt, es kommt zu einem Abströmen der Reaktionsgase in die Lücken A, B.
Dagegen sind gemäß dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel Rippen 41a, 43a auf den Oberflächen der Kathodenplatte 41 und der Anodenplatte 43a in Richtung auf die Kontaktfläche der porösen Elemente 26, 27 ausgebildet, und daher kann verhindert werden, dass die Reaktionsgase in die Lücken A, B strömen.
Im Folgenden wird die Struktur um die Rippen 41a, 43a im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Im ersten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise vor dem Stapeln der porösen Elemente 26, 27 und des Separators 40 zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts 20 das poröse Element 26 in den flachen Bereich eingebracht, wo es von der Rippe 41a der Kathodenplatte 41 umgeben wird, wie in 2 dargestellt. Dann wird die Lücke zwischen der Rippe 41a und dem porösen Element 26 mit einem Wachsmaterial 28 gefüllt, so dass die Rippe 41a und das poröse Element 26 durch das Wachsmaterial 28 aneinander befestigt werden. Ebenso wird das poröse Element 27 in den flachen Bereich eingebracht, wo es von der Rippe 43a der Anodenplatte 43 umgeben wird. Dann wird die Lücke zwischen der Rippe 43a und dem porösen Element 27 mit einem Wachsmaterial 29 gerillt, so dass die Rippe 43a und das poröse Element 27 durch das Wachsmaterial 29 aneinander befestigt werden. Wenn dann die porösen Elemente 26, 27 und der Separator 40 zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts 20 gestapelt werden, werden die Rippe 41a der Kathodenplatte 41 und die Rippe 43a der Kathodenplatte 43 so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind. Das heißt, der Leistungserzeugungsabschnitt 20, die porösen Elemente 26, 27 und der Separator 40 werden so gestapelt, dass die Dichtung 30 im Leistungserzeugungsabschnitt 20 teilweise zwischen der Rippe 41a und der Rippe 43a anliegend angeordnet wird.
Somit nehmen im ersten Ausführungsbeispiel, wie in 2 dargestellt, die Rippen 41a, 43a des Separators 40 und der Wachsmaterialien 28, 29 die Räume ein, wo in der verwandten Technik die Lücken A, B erzeugt werden, wie in 3 dargestellt. Somit können die Lücken A, B durch die Rippen 41, 43a bzw. die Wachsmaterialien 28, 29 größtenteils aufgefüllt werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel kann die MEGA 25 als Leistungserzeugungsabschnitt betrachtet werden, die Rippen 41a, 43a können als konvexer Abschnitt betrachtet werden und die Wachsmaterialien 28, 29 können als eingebettetes Element der Erfindung betrachtet werden.
Die Porosität der Wachsmaterialien 28, 29 und die Porosität der Rippen 41a, 43a ist geringer als die Porosität der porösen Elemente 26 bzw. 27. Daher strömen, wie oben beschrieben, die Reaktionsgase, die von den Öffnungen 45 des Separators 40 für die Luft und die Öffnungen des Separators 40 (nicht dargestellt) für das Wasserstoffgas zugeführt werden, in das Innere der porösen Elemente 26, 27, wo die Porosität relativ hoch ist und der Druckverlust relativ gering ist. Das heißt, auch wenn die Reaktionsgase, die den porösen Elementen 26, 27 zugeführt werden, versuchen, über die Außenumfangsflächen der porösen Elemente 26, 27 zu den Lücken A, B zu strömen, werden die Reaktionsgase zuerst von den Wachsmaterialien 28, 29 und dann von den Rippen 41a, 43a aufgehalten. Daher ist es den Reaktionsgasen fast unmöglich, zu den Lücken A, B zu strömen. Das heißt, es kommt kaum zu einem Abströmen der Reaktionsgase. Genauer ist die Dichtung 30 teilweise zwischen den Rippen 41a, 43a anliegend ange ordnet, die Dichtung 30 wird zwischen den Kuppen der Rippen 41a, 43a komprimiert, und daher kann ein Abströmen der Reaktionsgase in die Lücken A, B fast vollständig verhindert werden.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der Brennstoffzelle 10 im ersten Ausführungsbeispiel möglich, zu verhindern, dass es zu einem Abströmen kommt, d. h. zu einem Entweichen der Reaktionsgase in die Lücken A, B, wo vom Separator 40, der Dichtung 30 und den porösen Elementen 26, 27 umgeben. Daher können die Reaktionsgase, die den porösen Elementen 26, 27 zugeführt werden, zuverlässig der MEGA 25 bereitgestellt werden und können für die elektrochemische Reaktion verwendet werden. Infolgedessen kann der Nutzungsgrad der Reaktionsgase steigen und der Leistungserzeugungsgrad kann ebenfalls verbessert werden.
Gemäß der Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels werden die Lücken zwischen den Rippen 41a, 43a und den porösen Elementen 26, 27 mit den Wachsmaterialien 28 bzw. 29 gefüllt, und ferner werden die Rippen 41a, 43a und die porösen Elemente 26, 27 mit den Wachsmaterialien 28, 29 aneinander befestigt. Daher lockern sich die porösen Elemente 26, 27 nicht oder weichen von ihren Positionen ab, selbst wenn die porösen Elemente 26, 27 Abmessungsfehler aufweisen.
Gemäß der Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels werden die Rippen 41a, 43a auf der Kathodenplatte 41 bzw. der Anodenplatte 43 so ausgebildet, dass sie den Außenumfang der porösen Elemente 26, 27 umgeben. Wenn die porösen Elemente 26, 27 auf die Kathodenplatte 41 bzw. der Anodenplatte 43 gelegt werden, können daher die porösen Elemente 26 27 durch die Rippen 41a, 43a leicht in ihre jeweiligen Positionen gebracht werden.
Gemäß der Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels ist die Dichtung 30 des Leistungserzeugungsabschnitts 20 teilweise anliegend zwischen den Rippen 41a, 43a auf der Kathodenplatte 41 und der Anodenplatte 43 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, ist jedoch der Abschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts 20, der zwischen den Rippen 41a, 43a anliegend angeordnet ist, der Abschnitt, an dem der Außen umfangsabschnitt der MEGA 25 in die Dichtung 30 eingefügt ist. Das heißt, die Rippen 41a, 43a liegen an zwei Seiten des verklebten Abschnitts zwischen der Dichtung 30 und der MEGA 25 an. Da die Dichtung 30 und die MEGA 25 als Einheit ausgebildet sind, können sich andererseits die Dichtung 30 und die MEGA voneinander lösen, wenn eine Verschlechterung aufgrund der Verwendungsumgebung und der Verwendungsbedingungen stattfindet, was bewirken kann, dass Reaktionsgase, d. h. Wasserstoff und Luft, über Crossleaks austreten. Gemäß der Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels ist jedoch der verklebte Abschnitt zwischen der Dichtung 30 und der MEGA 25 zwischen den Rippen 41a, 43a anliegend angeordnet, und daher lösen sich die Dichtung 30 und die MEGA 25 am verklebten Abschnitt nicht voneinander, und daher können Crossleaks der Reaktionsgase vermieden werden.
Gemäß der Brennstoffzelle 10 der ersten Ausführungsform werden ferner die Rippen 41a, 43a wie oben beschrieben auf der Kathodenplatte 41 und der Anodenplatte 43 beispielsweise durch Pressen ausgebildet. Daher erscheint jede der Rippen 41a, 43a wie in 2 dargestellt wie eine Nut. Daher gelangt selbst dann, wenn Wasser 35, das durch chemische Reaktionen in der Kathodenseite erzeugt worden ist, an den Rippen 41a, 43a aufgehalten wird, nachdem es über die Durchgangsbohrungen 46 zusammen mit Luft in das Innere des Separators 40 gelangt ist, wie in 2 dargestellt, die Luft, bei der es sich um das Reaktionsgas handelt, durch die Seite des Wassers 35 und strömt entlang der nutförmigen Rippen 41a, 43a. Solchermaßen wird der Luftstrom durch das Wasser 35 nicht aufgehalten.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können ferner die Höhen der Rippe 41a der Kathodenplatte 41 und der Rippe 43a der Anodenplatte 43 unter Berücksichtigung der Dicke jedes der porösen Elemente 26, 27 und der Dicke des Abschnitts der Dichtung 30, der zwischen den Rippen 41a und 43a anliegend angeordnet werden soll, eingestellt werden. Beispielsweise können die Höhen der Rippen 41a und 43a auf einen Wert eingestellt werden, der es möglich macht, die Dichtung 30 zwischen den Kuppen der Rippen 42a, 43a zu komprimieren, wenn sie gestapelt werden, und der den Kontaktwiderstand zwischen dem porösen Element 26 und dem Separator 40 und den Kontaktwiderstand zwischen dem porösen Element 27 und dem Separator 40 verringert.
4 ist eine Darstellung, die schematisch den Aufbau eines Teils einer Brennstoffzelle 10' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Brennstoffzelle 10' des zweiten Ausführungsbeispiels weist im Grunde die gleiche Struktur auf wie die Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels. Daher werden die Komponenten und Elemente, die denen der Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels gleich sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
Wie in 4 dargestellt, weist die Brennstoffzelle 10' des zweiten Ausführungsbeispiels ebenso wie die Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels auf: einen Leistungserzeugungsabschnitt 20', poröse Elemente 26, 27 und einen Separator 40. In der Brennstoffzelle 10' sind der Separator 40, das poröse Element 27, der Leistungserzeugungsabschnitt 20', das poröse Element 26 und der Separator 40 in dieser oder in umgekehrter Reihenfolge gestapelt. Die gestapelten Zellen sind zwischen Endplatten 85, 86 angeordnet, die an zwei Seiten an ihnen anliegen, wodurch die Brennstoffzelle 10' gebildet wird.
Der strukturelle Unterschied zwischen der Brennstoffzelle 10' des zweiten Ausführungsbeispiels und der Brennstoffzelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels liegt im Aufbau der Dichtung 30' des Leistungserzeugungsabschnitts 20'. Genauer sind im ersten Ausführungsbeispiel die Lippenabschnitte 30a, die die jeweiligen Durchgangsöffnungen der Zweigleitungen umgeben, und der Lippenabschnitt 30b, der den freiliegenden Abschnitt der MEGA 25 umgibt, in der Dichtung 30 ausgebildet, aber im zweiten Ausführungsbeispiel fehlt der Lippenabschnitt 30b und stattdessen sind die Rippen 41a, 43a des Separators so ausgebildet, dass sie die Aufgabe des Lippenabschnitts 30b übernehmen, der den freiliegenden Abschnitt der MEGA 25 umgibt (d. h. die Aufgabe zu verhindern, dass Reaktionsgase, die durch die porösen Elemente 26, 27 strömen, austreten).
5 zeigt einen Querschnitt gemäß einer Stapelrichtung eines Teils der Brennstoffzelle 10' im zweiten Ausführungsbeispiel. Das heißt, 5 ist der Querschnitt, der entlang der Linie Y-Y' in 4 genommen ist, d. h. der Querschnitt der Region, in der keine der Zweigleitungsöffnungen vorhanden ist.
Im Folgenden wird der Aufbau rund um die Rippen 41a, 43a des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die porösen Elemente 26, 27 und der Separator 40 auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf den Leistungserzeugungsabschnitt 20' gestapelt. Das heißt, die porösen Elemente 26, 27 werden in den flachen Bereich eingebracht, der von den Rippen 41a, 43a auf der Kathodenplatte 41 und der Anodenplatte 43 umgeben ist. Dann werden die Lücken zwischen den Rippen 41a, 43a und den porösen Elementen 26, 27 mit den Wachsmaterialien 28, 29 gefüllt, so dass die Rippen 41a, 43a und die porösen Elemente 26, 27 von den Wachsmaterialien 28, 29 aneinander befestigt werden. Dann werden die Rippe 41a der Kathodenplatte 41 und die Rippe 43a der Anodenplatte 43 so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind. Die Dichtung 30 des Leistungserzeugungsabschnitts 20' wird teilweise zwischen der Rippe 41a und der Rippe 43a anliegend angeordnet.
Infolgedessen nehmen, wie in 5 dargestellt, die Rippen 41a, 43a des Separators 40 und die Wachsmaterialien 28, 29 die Räume ein, wo im Stand der Technik die Lücken A, B gebildet werden, wie in 3 dargestellt. Somit wird der größte Teil der Lücken A, B von den Rippen 41a, 43a bzw. den Wachsmaterialien 28, 29 gefüllt.
Wenn die Reaktionsgase über die Öffnungen 45 für Luft und die (nicht dargestellten) Öffnungen für Wasserstoffgas in den einzelnen Separatoren 40 den porösen Elementen zugeführt werden, strömen die zugeführten Reaktionsgase durch das Innere der porösen Elemente 26, 27, wo die Porosität höher ist und der Druckverlust geringer ist als in den Wachsmaterialien 28, 29. Das heißt, auch wenn die Reaktionsgase, die den porösen Elementen 26, 27 zugeführt werden, versuchen, über die Außenumfangsflächen der porösen Elemente 26, 27 zu den Lücken A, B zu strömen, werden die Reaktionsgase zuerst von den Wachsmaterialien 28, 29 aufgehalten und dann von den Rippen 41a, 43a aufgehalten. Daher kommt es kaum zu einem Abströmen der Reaktionsgase in die Lücken A, B.
Ferner ist die Dichtung 30' teilweise anliegend zwischen der Rippe 41a und der Rippe 43a angeordnet und wird von den oberen Abschnitten der Rippen 41a, 43a komprimiert. Daher kann das Ausströmen der Reaktionsgase in die Lücken A, B vollständig verhindert werden. Somit dienen die Rippen 41a, 43b anstelle des Lippenabschnitts 30b der Dichtung 30', der den freiliegenden Abschnitt der MEGA 25 umgibt, dazu, ein Austreten der Reaktionsgase, die durch die porösen Elemente 26, 27 strömen, zu verhindern.
Wie oben angegeben, ist es gemäß der Brennstoffzelle 10' des zweiten Ausführungsbeispiels möglich, zu verhindern, dass ein Abströmen der Reaktionsgase in die Lücken A, B, die vom Separator 40, der Dichtung 30', den porösen Elementen 26, 27 umgeben sind, stattfindet. Daher werden die Rektionsgase, die den porösen Elementen 26, 27 zugeführt wurden, zuverlässig der MEGA 25 bereitgestellt und für die elektrochemische Reaktion verwendet. Infolgedessen nimmt der Nutzungsgrad der Reaktionsgase zu und der Leistungserzeugungsgrad wird verbessert.
Gemäß der Brennstoffzelle 10' des zweiten Ausführungsbeispiels übernehmen die Rippen 41a, 43a des Separators 40 die Rolle des Lippenabschnitts 30b der Dichtung, und daher kann der Lippenabschnitt 30b der Dichtung weggelassen werden. Somit kann der Aufbau der Dichtung 30' vereinfacht werden.
Gemäß der Brennstoffzelle 10' des zweiten Ausführungsbeispiels können auch die anderen Vorteile, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, erhalten werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in verschiedenen anderen Formen und Strukturen innerhalb des Gedankens der Erfindung ausgeführt werden kann.
Im ersten Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, strömt Luft von der Oberseite zur Unterseite durch das poröse Element 26 und Wasserstoffgas strömt von der rechten Seite zur linken Seite durch das poröse Element 27. Das heißt, Luft und Wasserstoffgas strömen in zueinander senkrechten Richtungen. Somit sind die Rippe 41a der Kathodenplatte 41 und die Rippe 43a der Anodenplatte 43 so ausgebildet, dass sie die porösen Elemente 26 bzw. 27 umgeben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt. Beispielsweise verlaufen in einem Aufbau, wo Luft und Wasserstoffgas parallel strömen, zwei Seiten jedes der porösen Elemente 26, 27, die beide im Wesentlichen rechtwinklig sind, im Wesentlichen parallel zu den Luft- und Wasserstoffgasströmen. In einem solchen Fall ist es möglich, die Rippen 41a, 43a nur an den Abschnitten entlang dieser beiden Seiten jedes der porösen Elemente 26, 27 auszubilden. Anders ausgedrückt, die Abschnitte der Rippen 41a, 43a, die entlang den anderen beiden Seiten jedes der porösen Elemente 26, 27 (den Seiten, die im Wesentlichen senkrecht zu den Luft- und Wasserstoffgasströmen verlaufen) ausgebildet sind, können weggelassen werden.
Das heißt, das vorgenannte Abströmen von Reaktionsgasen findet tendenziell an denjenigen Außenumfangsflächen der porösen Elemente 26, 27 statt, die im Wesentlichen parallel zu den Strömen der Reaktionsgase verlaufen. Daher reicht es aus, die Rippen 41a, 43a an den Positionen vorzusehen, die diesen Umfangsflächen der porösen Elemente 26, 27 entsprechen.
In den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen werden die Rippen 41a, 43a durch Pressen der dünnen Metallplatten, die die Kathodenplatte 41, 43 bilden, gebildet. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise können die Rippen 41a, 43a dadurch ausgebildet werden, dass unnötige Teile der Metallplatten mittels Ätzens oder Spanens entfernt werden. Alternativ dazu können die Rippen 41a, 43a dadurch ausgebildet werden, dass streifenförmige Teile, die jeweils einen konvexen Querschnitt aufweisen, an den Metallplatten befestigt werden.
In den ersten und zweiten Ausführungsformen ist der Separator 40 ein Dreilagenseparator, der dadurch ausgebildet wird, dass drei Metallplatten übereinander gestapelt werden, und die Reaktionsgase werden über die Zweigleitung und das Innere des Separators 40 (den Berech der mittleren Platte 42) von den Öffnungen zu den porösen Elementen 26, 27 geliefert. Ebenso werden die Abgase über die anderen Öffnungen und das Innere des Separators 40 von den porösen Elementen 26, 27 in die Zweigleitung ausgeführt. Jedoch ist die Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt.
Beispielsweise kann es sich bei dem Separator 40 um einen Zweilagenseparator oder einen Einzellagenseparator handeln, statt um einen Dreilagenseparator. In dem Fall, wo jeder der Separatoren 40 ein Einzellagenseparator ist, werden die Rippen 41a, 43a anhand von anderen Verfahren als Pressen gebildet.
Was die Reaktionsgaskanäle betrifft, so kann das Reaktionsgas auch zwischen dem Separator und der Dichtung hindurch und dann durch die Außenumfangsflächen des porösen Elements von der Zweigleitung in das Innere des porösen Elements geliefert werden, und das Abgas kann durch die Außenumfangsflächen des porösen Elements und dann durch den Separator und die Dichtung hindurch aus dem Inneren des porösen Elements in die Zweigleitung abgeführt werden. In diesem Fall werden die Rippen 41a, 43a vorzugsweise nicht an dem Abschnitt der Kathodenplatte 41, durch den der Strömungskanal für die Zufuhr des Reaktionsgases von der Zweigleitung zum porösen Element verläuft, und der Anodenplatte 43, durch die der Strömungskanal für die Abfuhr von Abgas aus dem porösen Element in die Zweigleitung verläuft, ausgebildet. In diesem Fall ist es möglich, aber nicht notwendig, die Rippen 41a, 43a an Abschnitten, die den Kanälen entsprechen, wo die Rektionsgase aus der Zweigleitung in das poröse Element und umgekehrt strömen, mit einer verringerten Höhe auszubilden.
In den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen werden die Lücken zwischen den Rippen 41a, 43a und den porösen Elementen 26, 27 von den Wachsmaterialien 28, 29 gefüllt, und die Rippen 41a, 43a der porösen Elemente 26, 27 werden durch die Wachsmaterialien 28, 29 aneinander befestigt. Jedoch können statt der Wachsmaterialien auch klebende Harze verwendet werden. Beispielsweise können duroplastische Harze, wie Epoxidharz, Polystyrol und Harnstoffharze, anstelle der Wachsmaterialien verwendet werden. Ferner können thermoplastische Harze, wie PET (Polyethylenterephthalat), PS (Polystyrol), PEEK (Polyetherketon) und PES (Polyethersulfon) anstelle der Wachsmaterialien verwendet werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll vielmehr verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abdecken. Außerdem sind zwar die verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen dargestellt, aber andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Element umfassen, liegen ebenfalls im Gedanken und Bereich der Erfindung.
Zusammenfassung
Rippen (41a, 43a) sind auf einer Kathodenplatte (41) und einer Anodenplatte (43) einer Brennstoffzelle (10) ausgebildet. Die Rippen (41a, 43a) stehen in Richtung auf eine Kontaktfläche der porösen Elemente (26, 27) über und sind entlang eines Umfangs der porösen Elemente (26, 27) vorgesehen, so dass sie den Außenumfang der porösen Elemente (26, 27) umgeben. Die Rippe (41a) der Kathodenplatte (41) und die Rippe (43a) der Anodenplatte (43) sind so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind, wenn der Separator (40) und die porösen Elemente (26, 27) zu beiden Seiten eines Leistungserzeugungsabschnitts (20) gestapelt sind. Der Leistungserzeugungsabschnitt (20), die porösen Elemente (26, 27) und der Separator (40) sind so gestapelt, dass eine Dichtung (30) auf dem Leistungserzeugungsabschnitt (20) teilweise anliegend zwischen den Rippen (41a, 43a) angeordnet ist. Der Umfangs der porösen Elemente (26, 27) ist durch ein eingebettetes Element (28, 29) abgedichtet, das beispielsweise aus Wachsmaterialien besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-231274 [0004]
- JP 2002-231274 A [0004]
- JP 231274 A [0005]

Claims

Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: einen Leistungserzeugungsabschnitt, der eine elektrolytische Membran und eine Elektrode einschließt; Separatoren, die zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet sind, um Strom, der vom Leistungserzeugungsabschnitt erzeugt wird, zu sammeln, und die als Trennwände dienen; eine Dichtung, die an einem Außenumfangsabschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts vorgesehen ist, um ein Austreten von Reaktionsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verhindern; ein poröses Element mit einer vorgegebenen Porosität, das zwischen dem Separator und mindestens einer Seite des Leistungserzeugungsabschnitts anliegend angeordnet ist und das als Strömungskanal dient, durch den das Reaktionsgas dem Leistungserzeugungsabschnitt zugeführt wird, wobei der Separator einen konvexen Abschnitt aufweist, der an einer Position vorgesehen ist, die einem Außenumfang des porösen Elements entspricht, und in Richtung des Leistungserzeugungsabschnitts entlang mindestens einer Seite des Außenumfanges des porösen Elements übersteht; sowie ein eingebettetes Element zwischen dem konvexen Abschnitt des Separators und einer Außenumfangsfläche des porösen Elements.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Dichtung zwischen den konvexen Abschnitten des Separators anliegend angeordnet ist, wenn der Separator zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Porosität des eingebetteten Elements niedriger ist als die vorgegebene Porosität des porösen Elements.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das poröse Element eine rechtwinklige Form aufweist, und der konvexe Abschnitt des Separators entlang zweier einander gegenüber liegenden Seiten des rechtwinkligen porösen Elements vorgesehen ist, wenn die Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases, das durch das poröse Element strömt, im Wesentlichen parallel zu den zwei einander gegenüber liegenden Seiten ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der konvexe Abschnitt des Separators an einer Position vorgesehen ist, wo der gesamte Außenumfang des porösen Elements eingefasst wird.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Leistungserzeugungsabschnitt und die Dichtung durch Einfügen des Außenumfangsabschnitts des Leistungserzeugungsabschnitts in einen Abschnitt der Dichtung als Einheit ausgebildet werden, und beide Seiten des Abschnitts der Dichtung, in den der Außenumfangsabschnitt des Leistungserzeugungsabschnitts eingefügt ist, zwischen den konvexen Abschnitten des Separators anliegend angeordnet sind, wenn der Separator zu beiden Seiten des Leistungserzeugungsabschnitts angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das eingebettete Element Hafteigenschaften aufweist, um den Separator und das poröse Element aneinander zu befestigen.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Separator aus einer Metallplatte gebildet ist und der konvexe Abschnitt des Separators durch Pressen der Metallplatte ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Separator aus einer Metallplatte gebildet ist und der konvexe Abschnitt des Separators dadurch ausgebildet ist, dass ein Ätzen und/oder Spanen der Metallplatte durchgeführt wurde.