DE10110410A1 - Brennstoffzelle und Sammlerplatte dafür - Google Patents

Abstract

Eine Brennstoffzelle (30) und eine Sammlerplatte (10) dafür, die die Eigenschaften der Verteilung von Reaktionsgasen auf Gaskanäle (50) verbessern können. Jede Sammlerplatte (10) der Brennstoffzelle hat reaktionsgasführende Gaskanäle (50), die in Stapeloberflächen ausgebidlet sind, die benachbarten Elektrolytfilmen zugewandt sind. Jeder Gaskanal (50) ist mit einem Versorgungsloch (61) zum Zuführen und Verteilen eines Reaktionsgases sowie einem Auslassloch (62) zur Abgabe der Reaktionsgase aus dem Gaskanal (50) versehen. In einem Zustand, in welchem Sammlerplatten (10) mit dazwischen angeordneten Elektrolytfilmen gestapelt sind, verbinden sich die Versorgungslöcher (61), um einen Versorgungsverteiler zu bilden, und die Auslasslöcher (62) verbinden sich, um einen Auslassverteiler zu bilden. Die Öffnungsfläche jedes Auslasslochs (62) ist größer gewählt als die Öffnungsfläche jedes Versorgungslochs (61).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, mit einem Stapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von Sammler­ platten und einer Vielzahl von Elektrolytfilmen oder -fo­ lien, die mit Reaktionselektroden versehen sind, gebildet ist, Versorgungsverteilern, die in dem Stapel ausgebildet sind, um Reaktionsgase zu Gaskanälen oder Gasdurchlässen, die zwischen den Elektrolytfolien und den Sammlerplatten ausgebildet sind, zuzuführen und zu verteilen, und Auslass­ verteilern, in welche Reaktionsgase aus den Gaskanälen ab­ gegeben werden. Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Sammlerplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Sammler­ platte Gasdurchlässe sowie Versorgungslöcher und Auslasslö­ cher zur Bildung der Verteiler hat.

Eine Brennstoffzelle hat einen Stapelkörper mit einer Sta­ pelstruktur, die durch Stapeln von Zelleneinheiten gebildet ist. Jede Zelleneinheit besteht aus einer Elektrolytfolie, die Reaktionselektroden an ihren beiden Seitenoberflächen trägt und Stromsammelplatten, die an gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytfolie angeordnet sind. Eine Oberfläche jeder Sammelplatte, die der benachbarten Elektrolytfolie zugewandt ist, hat Gaskanäle oder Gasdurchlässe zur Förde­ rung von Reaktionsgasen, wie einem Brennstoffgas, einem O­ xidationsgas oder dergleichen. Innerhalb des Stapels erstrecken sich Versorgungsverteiler und Auslassverteiler in der Stapelrichtung. Die Reaktionsgase werden zwischen den Verteilern und den Gaskanälen jeder Sammlerplatte zuge­ führt und abgeführt. Jeder Verteiler ist als ein Kanal aus­ gebildet, indem Löcher seriell miteinander Verbunden wer­ den, die in den Sammlerplatten ausgebildet sind, wie bei­ spielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. HEI 10-106594 beschrieben ist. Jede Sammlerplatte hat eine Vielzahl von Löchern, die an den Verteilern entspre­ chenden vorbestimmten Positionen ausgebildet sind.

In dieser Brennstoffzelle werden die von den Einlässen der Verteiler zugeführten Reaktionsgase über verteilerbildende Versorgungslöcher, die in den Sammlerplatten ausgebildet sind, in die Gaskanäle jeder Zelleneinheit zugeführt und verteilt. Nachdem sie in die Gaskanäle zugeführt und ver­ teilt sind, strömen die Reaktionsgase durch die Gaskanäle und werden dann über auslassverteilerbildende Auslasslö­ cher, die in den Sammlerplatten ausgebildet sind, in die Auslassverteiler abgegeben. Indem somit die Reaktionsgase zum Strömen durch die Gaskanäle jeder Zelleneinheit veran­ lasst sind, wird eine elektromotorische Kraft zwischen den Reaktionselektroden jeder Zelleneinheit auf elektrochemi­ schem Reaktionsweg erzeugt.

Somit wird der Brennstoffzelle eine elektromotorische Kraft entnommen, indem die Reaktionsgase veranlasst werden, durch die Gaskanäle der Sammlerplatten zu strömen. Folglich ist es, um einen gewünschten Stromerzeugungswirkungsgrad in der Brennstoffzelle zu erhalten, wünschenswert, die Strömungs­ menge der Reaktionsgase und deren Verteilung in den Gaska­ nälen passend zu steuern.

Bei der vorgenannten Brennstoffzelle, in der jedes Reakti­ onsgas zwischen den zugehörigen Gaskanälen und den diesen Gaskanälen gemeinsamen Verteilern zugeführt und abgeführt wird, ergibt sich das unübersehbare nachfolgende Problem hinsichtlich der Strömungsmenge jedes Reaktionsgases und dessen Verteilung.

Die Strömungsmenge jedes Reaktionsgases neigt dazu, mit der Zunahme des Abstands einer Zelleneinheit von dem Einlass des Versorgungsverteilers abzunehmen. Während folglich aus­ reichende Mengen an Reaktionsgasen jenen Zelleneinheiten zugeführt werden, die relativ nahe an den Einlässen der Versorgungsverteiler sind, sind die Mengen der Reaktionsga­ se, die den Gaskanälen von Zelleneinheiten zugeführt wer­ den, die relativ weit von den Einlässen der Versorgungsver­ teiler entfernt sind, unzureichend und folglich werden die von diesen Zelleneinheiten erzeugten elektromotorischen Kräfte relativ gering. Somit ist in der Brennstoffzelle ge­ mäß dem Stand der Technik die Verteilung jedes Reaktionsga­ ses auf die Gaskanäle ungleichmäßig, so dass einige der Zelleneinheiten nicht die gewünschte elektromotorische Kraft erzeugen. Folglich ist eine Verminderung des Stromer­ zeugungswirkungsgrads bzw. der Stromerzeugungsausbeute un­ vermeidlich.

Folglich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle und eine Sammlerplatte dafür zu schaffen, mit denen die Ei­ genschaften der Reaktionsgasverteilung in die Gaskanäle in der Brennstoffzelle verbessert werden können.

Um die obige Aufgabe zu lösen, hat eine Sammlerplatte einer Brennstoffzelle gemäß einem Aspekt der Erfindung einen Gas­ kanal, der in mindestens einer Oberfläche ausgebildet ist, ein Versorgungsloch zur Verteilung und zum Zuführen eines Reaktionsgases in den Gaskanal und ein Auslassloch zur Ab­ gabe des Reaktionsgases aus dem Gaskanal. Eine Öffnungsflä­ che des Auslasslochs ist größer gewählt als eine Öffnungs­ fläche des Versorgungslochs.

In einer Brennstoffzelle wird das von dem Versorgungsloch in den Gaskanal jeder Sammelplatte zugeführte Reaktionsgas über das Auslassloch abgegeben. Bei diesem Vorgang neigt das Auslassloch dazu, als eine Verengung zu funktionieren und neigt dazu, die Strömung des Reaktionsgases zu behin­ dern oder zu beschränken. Im Allgemeinen wird der Gaskanal einer Sammlerplatte, die nahe einem Versorgungsverteiler angeordnet ist, mit dem Reaktionsgas mit einem relativ ho­ hem Druck von dem Versorgungsverteiler versorgt, so dass das Reaktionsgas relativ schnell durch das Auslassloch ab­ gegeben wird, obwohl die Strömung durch das Auslassloch be­ hindert ist.

Der Gaskanal einer Sammlerplatte, die entfernt von einem Einlass des Versorgungsverteilers angeordnet ist, wird an­ dererseits mit dem Reaktionsgas bei einem relativ vermin­ derten Druck versorgt. In einem solchen Gaskanal ist folg­ lich der Einfluss der Verengungswirkung des Auslasslochs groß, so dass das Reaktionsgas weniger leicht abgegeben wird. Im Ergebnis wird die Reaktionsgasmenge, die dem Gas­ kanal über das Versorgungsloch zugeführt wird, in einer Sammlerplatte, die von dem Einlass des Versorgungsvertei­ lers entfernt angeordnet ist, kleiner als in einer Sammler­ platte, die nahe dem Einlass angeordnet ist.

In dem zuvor beschriebenen Aspekt der Erfindung ist jedoch die Beschränkung oder Behinderung der Strömung durch den Verengungseffekt des Auslasslochs vermindert, so dass das Reaktionsgas rasch über das Auslassloch aus dem Gaskanal abgegeben werden kann. Folglich kann im Fall einer Sammler­ platte, die von dem Einlass des Versorgungsverteilers ent­ fernt angeordnet ist, mindestens eine vorbestimmte Reakti­ onsgasmenge veranlasst werden, durch die Sammlerplatte zu strömen. Somit kann die Ungleichmäßigkeit der Verteilung des Reaktionsgases auf die Gaskanäle der Zelleneinheiten, die eine Brennstoffzelle bilden, vermindert werden und die Verteilungseigenschaften können verbessert werden.

Die obige Aufgabe und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ei­ nes bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung deutlicher. Darin bezeichnen glei­ che Bezugszeichen gleiche Elemente und es ist:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Sammlerplatte, die in einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet ist;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung ei­ ner Zelleneinheit der Brennstoffzelle;

Fig. 3 eine Perspektivansicht der Brennstoffzelle; und

Fig. 4 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Strömungsmenge eines Reaktionsgases in einem Oxidationsgas­ kanal und dem Abstand von dem Einlass eines Versorgungsver­ teilers zeigt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer Vorderansicht den Aufbau einer Sam­ melplatte 10, die in einer Polymer-Elektrolyt- Brennstoffzelle 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel verwendet wird. Fig. 2 zeigt in einer Explosionsdarstellung den Auf­ bau einer Zelleneinheit 31 der Brennstoffzelle 30. Fig. 3 zeigt in einer Perspektivansicht den Aufbau der Brennstoff­ zelle 30.

Gemäß Fig. 3 umfasst die Brennstoffzelle 30 einen Stapel 32, der durch abwechselndes Stapeln einer Vielzahl von Grundplatten 20 und einer Vielzahl von Sammlerplatten 10 gebildet ist, wobei zwei Seitenplatten 12 den Stapel 32 an seinen gegenüberliegenden Seiten zwischen sich einschlie­ ßen. Der Stapel 32 ist so angeordnet, dass, wenn die Brenn­ stoffzelle 30 in einen verwendbaren Zustand gebracht ist, die Stapelrichtung des Stapels 32 mit einer zu der Richtung der Schwerkraft (vertikale Richtung in jeder Zeichnung) senkrechten Richtung übereinstimmen.

Jede Grundplatte 20 hat eine Elektrolytfolie oder einen E­ lektrolytfilm 22 und Reaktionselektroden (eine negative Elektrode und eine positive Elektrode, wovon lediglich eine in Fig. 2 gezeigt ist), die die Elektrolytfolie 22 an ihren gegenüberliegenden Seiten zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytfolie 22 ist aus einem makromolekularen Material, beispielsweise einem fluorbasierten Harz oder dergleichen gebildet, welches eine Ionenleitfähigkeit zeigt, wenn es in einem passenden nassen Zustand ist. Die Reaktionselektroden 24 sind aus einer Kohlefaser gemacht, die einen Katalysa­ tor, wie Platin oder dergleichen, enthält.

Jede Sammlerplatte 10 ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie Kohlenstoff oder dergleichen gemacht und hat eine allgemein rechteckige Plattenform. Jede Sammlerplatte 10 hat die Funktion der elektrischen Verbindung der Reaktionselektroden 24, die an gegenüberliegenden Seiten der Sammlerplatte 10 positioniert sind, und hat zudem eine Funktion der Bildung von Gasdurch­ lässen oder Gaskanälen zum Zuführen der Reaktionsgase, wie ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas oder dergleichen, zu einer Oberfläche jeder Reaktionselektrode 24. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist jede Zelleneinheit 31 durch eine Grundplatte 20 und Sammlerplatten 10 gebildet, die an gege­ nüberliegenden Seiten der Grundplatte 20 angeordnet sind. Der Stapel 32 hat einen Aufbau, in welchem die Zellenein­ heiten 31 elektrisch in Serie verbunden oder geschaltet sind.

Jede Sammlerplatte 10 hat in einer ihrer der benachbarten Reaktionselektrode 24 zugewandten Oberfläche einen Gaskanal 50 (Oxidationsgaskanal) zum Fördern eines Oxidationsgases (z. B. Luft), das Sauerstoff enthält.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat der Gaskanal 50 jeder Samm­ lerplatte 10 eine allgemein U-förmige Konfiguration, d. h. er erstreckt sich von einer ersten Endabschnittseite (eine rechte Endseite in Fig. 1) zu einer zweiten Endabschnitts­ seite (eine linke Endseite in Fig. 1) der Sammlerplatte 10, wendet an dem zweiten Endabschnitt und erstreckt sich zur ersten Endabschnittseite der Sammlerplatte 10. Genauer ge­ sagt, der Gaskanal 50 ist durch Bereiche gebildet, die durch unterbrochene Linien in Fig. 1 gezeigt sind, d. h. ein stromaufseitiger Abschnitt 50A, ein Wendeabschnitt 50B und ein stromabseitiger Abschnitt 50C.

Der erste Endabschnitt jeder Samlerplatte 10 hat ein Ver­ sorgungsloch 61 zum Zuführen des Oxidationsgases in den Gaskanal 50 und ein Auslassloch 62 zum Abgeben des Oxidati­ onsgases von dem Gaskanal 50. Wenn die Brennstoffzelle 30 in einem verwendbaren Zustand positioniert ist, ist das Versorgungsloch 61 der beiden Löcher 61, 62 in Schwerkraft­ richtung oben positioniert und das Auslassloch 62 ist in Schwerkraftrichtung unten positioniert. Von den Abschnitten 50A bis 50C des Gaskanals 50 jeder Sammlerplatte 10 sind der stromaufseitige Abschnitt 50A bzw. der stromabseitige Abschnitt 50C mit dem Versorgungsloch 61 bzw. dem Auslass­ loch 62 verbunden. Folglich strömt das Reaktionsgas (Oxidationsgas), das in den Gaskanal über das Versorgungs­ loch 61 zugeführt wird, sequentiell durch den stromaufsei­ tigen Abschnitt 50A, den Wendeabschnitt 50B und den strom­ abseitigen Abschnitt 50C und wird dann aus dem Gaskaöal 50 über das Auslassloch 62 abgegeben.

Der stromaufseitige Abschnitt 50A jedes Gaskanals 50 ist als eine Vielzahl unabhängiger Kanäle durch eine Vielzahl paralleler Nuten 51 gebildet. Der Wendeabschnitt 50B ist als gitterförmiger Kanal durch eine Vielzahl gitterförmiger Nuten 52 gebildet. Ein Abschnitt des stromabseitigen Ab­ schnitts 50C neben dem Wendeabschnitt 50B ist als eine Vielzahl unabhängiger Kanäle durch eine Vielzahl paralleler Nuten 53 gebildet und ein Abschnitt des stromabseitigen Ab­ schnitts 50% der am weitesten stromabwärts angeordnet ist, d. h. ein Abschnitt davon neben dem Auslassloch 62, ist als gitterförmiger Kanal durch eine Vielzahl von Gitternuten 54 ausgebildet.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der Gaskanal 50 eine Kon­ figuration mit dem wie oben beschriebenen Wendeabschnitt 50B. Folglich ist die Kanalgesamtlänge erhöht verglichen mit einem Fall, in welchem der Kanal 50 eine lineare Konfi­ guration hat. Im Ergebnis nimmt die durchschnittliche Strö­ mungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases über den gesamten Kanal zu, so dass die Gasnutzungsrate zunimmt und der Stro­ merzeugungswirkungsgrad verbessert ist. Weil ferner der Ab­ schnitt des stromabseitigen Abschnitts 50C neben dem Aus­ lassloch 62 als gitterförmiger Kanal ausgebildet ist, ist die Diffusion des Reaktionsgases beschleunigt. In einem stromabwärtigen Abschnitt des Gaskanals strömt ein Reakti­ onsgas, das eine große Menge von Wasser enthält, das durch die reduzierenden Reaktionen erzeugt ist, so dass dort die Gefahr der Blockierung der Gaskanäle durch die Verflüssi­ gung von Wasser besteht. Jedoch verbessert der gitterförmi­ ge Kanal, der oben beschrieben ist, die Wasserabgabe- oder -antragseigenschaften.

Ferner ist eine Kanalgesamtquerschnittsfläche SG1 der unab­ hängigen Kanäle des stromabseitigen Abschnitts 50C, die in der Nähe des Wendeabschnitts 50B angeordnet sind, kleiner gewählt als eine Kanalgesamtquerschnittsfläche SG2 der un­ abhängigen Kanäle des stromaufseitigen Abschnitts 50A.

Weil die Kanalgesamtquerschnittsflächen SG1, SG2 auf diese Weise gewählt sind, ist die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem stromabseitigen Abschnitt SOC teilweise weiter erhöht. Folglich ist in dem stromabseitigen Abschnitt 50C, wo eine Verminderung der Reaktionsgaskonzentration zu befürchten ist, die Gaskonzentrationsverminderung so weit wie möglich reduziert und folglich ist die Reaktionsgasnutzungsrate er­ höht. Wenn insbesondere Luft als Oxidationsgas verwendet wird, ist die Gaskonzentration (Sauerstoffkonzentration) von Anfang an niedrig, so dass die Zunahme der Gasnutzungs­ rate im Gaskanal 50 besonders spürbar wird. Ferner verbes­ sert eine solche Gasströmungsgeschwindigkeitszunahme zudem die Wasseraustragseigenschaften des stromabseitigen Ab­ schnitts 50C, wo Wasser häufig verbleibt oder verharrt.

Es ist jedoch anzumerken, dass, wenn die Kanalgesamtquer­ schnittsfläche SG1 des stromabseitigen Abschnitts 50C all­ mählich auf kleinere Werte gesetzt wird, der Strömungswi­ derstand des Kanals in dem stromabseitigen Abschnitt 50C allmählich zunimmt, so dass der Druckverlust für den gesam­ ten Kanal zunimmt. Obwohl es ferner wünschenswert ist, die Kanalgesamtquerschnittsfläche SG2 des stromaufseitigen Ab­ schnitts 50A entsprechend dem Verminderungsbetrag der Ka­ nalgesamtquerschnittsfläche 501 des stromabseitigen Ab­ schnitts 50C relativ zu vergrößern, um eine Kanalgesamt­ querschnittsfläche des gesamten Gaskanals sicherzustellen, vermindert eine solche Vergrößerung der Kanalgesamtquer­ schnittsfläche SG2 des stromaufseitigen Abschnitts 50A die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem stromaufseitigen Ab­ schnitt 50A, was in einer Verminderung des Stromerzeugungs­ wirkungsgrads resultiert.

Experimente im Zusammenhang mit der Erfindung haben verifi­ ziert, dass, wenn das Verhältnis zwischen den Kanalgesamt­ querschnittsflächen SG1, SG2 (SG1/SG2) innerhalb des Be­ reichs von

0,3 < (SG1/SG2) < 1,0 . . . (Ungleichung 1)

gewählt ist, die Verminderung des Stromerzeugungswirkungs­ grads in dem stromaufseitigen Abschnitt 50A des Gaskanals 50 und die Zunahme des Stromerzeugungswirkungsgrads in dem stromabseitigen Abschnitt 50C passend ausgeglichen werden können, während die Zunahme des Druckverlusts minimiert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist folglich das Flä­ chenverhältnis (SG1/SG2) auf 0,7 gesetzt, was innerhalb des vorgenannten Bereichs liegt.

Ein Gaskanal (Brennstoffgaskanal) zum Fördern eines wasser­ stoffhaltigen Brennstoffgases ist in einer Stapelfläche (nicht gezeigt) der Sammlerplatte 10 ausgebildet, die der Stapelfläche gegenüberliegt, die den Oxidationsgaskanal 50 trägt. Ein Endabschnitt der Sammlerplatte 10 hat ein Ver­ sorgungsloch 71 zum Zuführen des Brennstoffgases in den Brennstoffgaskanal und ein Auslassloch zum Abführen des Brennstoffgases aus dem Gaskanal. Wenn die Brennstoffzelle 30 in einen verwendbaren Zustand gebracht ist, ist das Ver­ sorgungsloch 71 der beiden Löcher 71, 72 in Schwerkraft­ richtung oben angeordnet und das Auslassloch 72 ist in Schwerkraftrichtung unten angeordnet.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der Brennstoffgaskanal bezüglich einer Mittellinie C, die die Sammlerplatte 10 in gleiche Hälften teilt, eine Konfiguration, die symmetrisch identisch der vorgenannten Konfiguration des Oxidationsgas­ kanals 50 ist. Dies bedeutet, dass die Mittelachse C, die in Fig. 1 gezeigt ist, die Achse der Rotationssymmetrie ist. Das Versorgungsloch 71 und das Auslassloch 72 des Brennstoffgaskanals sind an Positionen ausgebildet, die be­ züglich der Mittellinie C symmetrisch zu den Positionen des Versorgungslochs 61 und des Auslasslochs 62 des Oxidations­ gaskanals 50 sind. Dies bedeutet, dass die beiden Oberflä­ chen der Sammlerplatte 10 identische Konfigurationen haben (sie sind nicht voneinander zu unterscheiden). Wenn folg­ lich die Sammlerplatte 10 auf einer Grundplatte 20 positio­ niert wird, besteht kein Bedarf, eine Stapeloberfläche der Sammlerplatte 10 mit einem Brennstoffgaskanal von einer Stapeloberfläche zu unterscheiden, die einen Oxidationsgas­ kanal 50 hat.

Zwischen dem Versorgungsloch 61 und dem Auslassloch 62 des Gaskanals 50 ist an einem Endabschnitt der Sammlerplatte 10 ein Versorgungsloch 81 ausgebildet, um Kühlwasser in einen Kühlwasserkanal (nicht gezeigt) zuzuführen, der in einigen Sammlerplatten 10 ausgebildet ist. Ein Auslassloch 82 zur Abgabe von Kühlwasser aus dem Kühlwasserkanal ist zwischen dem Versorgungsloch 71 und dem Auslassloch 72 des Brenn­ stoffgaskanals an dem gegenüberliegenden Endabschnitt der Sammlerplatte 10 ausgebildet.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind Dichtungen 90, die aus ei­ nem elektrisch isolierenden Material gemacht sind, zwischen den Sammlerplatten 10 derart vorgesehen, dass sie einen Spalt füllen, der um einen Außenumfang jeder Grundplatte 20 zwischen benachbarten Sammlerplatten 10 ausgebildet ist. Jede Dichtung 90 hat Löcher (nicht gezeigt) an Positionen, die den Positionen der Löcher 61, 62, 71, 72, 81 und 82 je­ der Sammlerplatte 10 entsprechen. Die Löcher jeder Dichtung 90 haben im Wesentlichen die gleichen Formen wie die Löcher jeder Sammlerplatte 10. Innerhalb des Stapels 32 ist eine Vielzahl von Verteilern 60A, 60B, 70A, 70B, 80A und 80B, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, als Ergebnis ei­ ner Verbindung der Löcher der Sammlerplatten 10 und der Lö­ cher der Dichtungen 90 gebildet.

Genauer gesagt, innerhalb des Stapels 32 ist ein Versor­ gungsverteiler 60A zum Zuführen und Verteilen des Oxidati­ onsgases in die Oxidationsgaskanäle 50 und ein Auslassver­ teiler 60B gebildet, in welchen das Oxidationsgas aus den Gaskanälen 50 abgegeben wird. Gleichermaßen ist ein Versor­ gungsverteiler 70A zum Zuführen und Verteilen des Brenn­ stoffgases in die Brennstoffgaskanäle und ein Auslassver­ teiler 70B, in welchen das Brennstoffgas von den Gaskanälen abgegeben wird, innerhalb des Stapels 32 gebildet.

Wie zuvor beschrieben ist, sind die Auslasslöcher 62, 72 in Schwerkraftrichtung unterhalb der Versorgungslöcher 61, 71 angeordnet. Folglich sind von den Verteilern 60A, 60B, 70A, 70B die Auslassverteiler 60B, 70B in Schwerkraftrichtung unterhalb der Versorgungsverteiler 60A, 70A angeordnet. Im Ergebnis wird das Wasser, das in den Reaktionsgasen inner­ halb der Oxidationsgaskanäle 50 und der Brennstoffgaskanäle enthalten ist, infolge der Schwerkraft zusätzlich zu dem Reaktionsgasversorgungsdruck rasch abwärts bewegt und über die Auslasslöcher 62, 72 abgegeben.

Ferner sind innerhalb des Stapels 32 ein Versorgungsvertei­ ler 80A zum Zuführen von Kühlwasser in die Kühlwasserkanäle und ein Auslassverteiler 80B ausgebildet, in welchen Kühl­ wasser von den Kühlwasserkanälen abgegeben wird.

Ein Ende jedes Verteilers 60A, 60B, 70A, 70B, 80A und 80B ist durch eine der Seitenplatten 12 verschlossen. Die ande­ re Seitenplatte 12 hat Einlässe 126a, 127a, 128a zum Zufüh­ ren der Reaktionsgase und des Kühlwassers in die jeweiligen Versorgungsverteiler 60A, 70A, 80A, und hat Auslässe 126b, 127b, 128b zum Abführen der Reaktionsgase und des Kühlwas­ sers aus den jeweiligen Auslassverteilern 60B, 70B, 80B.

In der Brennstoffzelle 30 dieses Ausführungsbeispiels sind die Kanalquerschnittsflächen der Verteiler 60A, 60B für das Oxidationsgas und die Kanalquerschnittsflächen der Vertei­ ler 70A, 70B für das Brennstoffgas so gewählt, dass sie folgende Beziehung erfüllen.

Bezüglich der Verteiler 60A, 60B für das Oxidationsgas ist die Kanalquerschnittsfläche SO1 des Auslassverteilers 60B größer gewählt als die Kanalquerschnittsfläche SO2 des Ver­ sorgungsverteilers 60A. Gleichermaßen ist, im Hinblick auf die Verteiler 70A, 70B für das Brennstoffgas, die Kanal­ querschnittsfläche SH1 des Auslassverteilers 70B größer ge­ wählt als die Kanalquerschnittsfläche SH2 des Versorgungs­ verteilers 70A.

Um ferner die vorgenannte Beziehung zu erfüllen, ist die gleiche Beziehung für die Öffnungsflächen der Versorgungs­ löcher 61, 71 und die Auslasslöcher 62, 72 gewählt, die im Wesentlichen die vorgenannten Kanalquerschnittsflächen SO1 und SO2, SH1, SH2 bestimmen. Dies bedeutet, dass die Öff­ nungsfläche der Auslasslöcher 62 für die Oxidationsgaskanä­ le 50 größer gewählt ist als die Öffnungsfläche der Versor­ gungslöcher 61 für die Gaskanäle 50. Die Öffnungsfläche der Auslasslöcher 72 für die Brennstoffgaskanäle ist größer ge­ wählt als die der Versorgungslöcher 71 für die Brennstoff­ gaskanäle.

Weil die Kanalquerschnittsflächen der Verteiler 60A, 60B, 70A, 70B und die Öffnungsflächen der Versorgungslöcher 61, 71 und der Auslasslöcher 62, 72 wie oben beschrieben ge­ wählt sind, ist die Behinderung oder Beschränkung durch die Verengungseffekte der Auslasslöcher 62, 72 und der Auslass­ verteiler 60B, 70B, die als Ansammlungen oder Aneinander­ reihungen der Auslasslöcher 62, 72 gebildet sind, vermin­ dert, so dass die Reaktionsgase rasch von den Gaskanälen 50 zu den Auslasslöchern 62, 72 abgegeben werden.

Fig. 4 ist ein Diagramm, dass die Strömungsmenge des Reak­ tionsgases (Oxidationsgas) in den Oxidationsgaskanälen 50 zeigt, wobei eine durchgezogene Linie die Durchflussmenge oder Strömungsmenge der Reaktionsgase in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel zeigt, und wobei eine Zweipunkt-Strichlinie die Strömungsmenge des Reaktionsgases in einem Vergleichs­ beispiel zeigt, in welchen die Kanalquerschnittsfläche ei­ nes Versorgungsverteilers 60A und die Kanalquerschnittsflä­ che eines Auslassverteilers 60B (d. h. die Öffnungsfläche jedes Versorgungslochs 61 und die Öffnungsfläche jedes Aus­ lasslochs 62) gleich groß gewählt sind.

Die Zweipunkt-Strichlinie in Fig. 4 zeigt, dass in dem Ver­ gleichsbeispiel die Strömungsmenge des Reaktionsgases deut­ lich in den Gaskanälen 50 abnimmt, die von dem Einlass 126a des Versorgungsverteilers 60A entfernt angeordnet sind, und dass das Reaktionsgas in den Gaskanälen 50 ungleichmäßig verteilt ist. Folglich können Zelleneinheiten 21, die von dem Einlass 126a entfernt sind, eine vorbestimmte elektro­ motorische Kraft nicht erzeugen, so dass eine Verminderung des Stromerzeugungswirkungsgrads der gesamten Brennstoff­ zelle nicht verhindert werden kann.

Im Gegensatz dazu fließt in dem Ausführungsbeispiel mindes­ tens eine vorbestimmte Menge des Reaktionsgases gleichmäßig in Gaskanälen, die von dem Einlass 126a des Versorgungsver­ teilers 60A entfernt angeordnet sind, und die Ungleichmä­ ßigkeit der Verteilung des Reaktionsgases auf die Gaskanäle 50 ist vermindert, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 4 gezeigt ist. Diese Tendenz ist im Wesentlichen die gleiche bei den Brennstoffgaskanälen, weil die Brennstoff­ gaskanäle im Wesentlichen die gleiche Konfiguration haben wie die Oxidationsgaskanäle 50. Dies bedeutet, dass die Un­ gleichmäßigkeit in der Verteilung des Reaktionsgases (Brennstoffgas) auf die Brennstoffgaskanäle vermindert ist.

Durch Experimente, die durch die Erfinder durchgeführt wur­ den, wurde verifiziert, dass weiter verbesserte Vertei­ lungseigenschaften bezüglich der Oxidationsgaskanäle 50 und der Brennstoffgaskanäle sichergestellt werden können, wenn das Verhältnis zwischen der Kanalquerschnittsfläche SO1 des Auslassverteilers 60B der Oxidationsgaskanäle 50 und der Kanalquerschnittsfläche SO2 des Versorgungsverteilers 60A der Gaskanäle 50 (SO1/SO2) innerhalb des folgenden Bereichs gewählt ist:

1,0 < (SO1/SO2) < 3,0 (Ungleichung 2-1)

und noch bevorzugter innerhalb des Bereichs von

1,3 < (SO1/SO2) < 2,0 (Ungleichung 2-2)

gewählt ist, oder wenn das Verhältnis zwischen der Kanal­ querschnittsfläche SH1 des Auslassverteilers 70B der Brenn­ stoffgaskanäle und der Kanalquerschnittsfläche 5H₂ der Ver­ sorgungsverteilers 70A der Gaskanäle innerhalb des folgen­ den Bereichs gewählt ist:

1,0 < (SH1/SH2) < 3,0 (Ungleichung 3-1)

und noch bevorzugter innerhalb des Bereichs von:

1,3 < (SH1/SH2) < 2,0 (Ungleichung 3-2)

gewählt ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind folglich die Verhältnisse zwischen den Kanalquerschnitten (SO1/SO2, SH1/SH2) auf 1,5 gesetzt, was innerhalb der vorgenannten Bereiche liegt.

Weil bei der Brennstoffzelle 30 und den Sammlerplatten 10 dieses Ausführungsbeispiels die Kanalquerschnittsflächen SO1, SH1 der Auslassverteiler 60B, 70B (Öffnungsflächen der Auslasslöcher 62, 72) größer gewählt sind als die Kanal­ querschnittsflächen SO2, SH2 der Versorgungsverteiler 60A, 70A (Öffnungsflächen der Versorgungslöcher 61, 71, wie oben beschrieben ist), kann mindestens eine vorbestimmte Strö­ mungsmenge der Reaktionsgase auch in Gaskanälen erreicht werden, die von den Einlässen 126a, 127a der Versorgungs­ verteiler 60A, 70A entfernt angeordnet sind, und die Un­ gleichmäßigkeit in der Verteilung der Reaktionsgase auf die Gaskanäle kann vermindert werden, wodurch die Verteilungs­ eigenschaften verbessert sind.

Ferner hat jeder der Oxidationsgaskanäle 50 und der Brenn­ stoffgaskanäle jeder Sammlerplatte 10 eine Konfiguration, in welcher der Kanal an einem Endabschnitt der Sammlerplat­ te 10 wendet und der stromaufseitige Abschnitt 50A jedes Gaskanals als eine Vielzahl unabhängiger Kanäle ausgebildet ist. Folglich kann die Reaktionsgasströmungsgeschwindigkeit in jedem Gaskanal erhöht werden und die Gasnutzungsrate ist erhöht, so dass der Stromerzeugungswirkungsgrad verbessert werden kann. Weil ferner ein Abschnitt jedes Gaskanals in der Nähe des Auslasslochs 62 oder 72 als gitterförmiger Ka­ nal ausgebildet ist, kann die Wasseraustragseigenschaft verbessert werden. Weil ferner die Öffnungsflächen der Aus­ lasslöcher 62, 72 relativ groß gewählt sind, kann der Was­ serinhalt in den Gaskanälen rasch abgegeben werden, so dass sich die Wasseraustragseigenschaft weiter verbessert.

Weil jeder der Oxidationsgaskanäle 50 und der Brennstoff­ gaskanäle eine Konfiguration hat, in welcher der Gaskanal an einem Endabschnitt der Sammlerplatte 10 wendet, und in welcher die Kanalgesamtquerschnittsfläche SG1 der unabhän­ gigen Kanäle des stromabseitigen Abschnitts 50C, der strom­ abwärts des Wendeabschnitts 50B angeordnet ist, kleiner ge­ wählt ist als die Kanalgesamtquerschnittsfläche SG2 der un­ abhängigen Kanäle des stromaufseitigen Abschnitts 50A, ist die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem stromabseitigen Ab­ schnitt SOC teilweise erhöht, so dass die Gaskonzentrati­ onsverminderung verkleinert und der Stromerzeugungswir­ kungsgrad in dem stromabseitigen Abschnitt 50C verbessert werden kann. Ferner kann durch einen solchen Anstieg der Gasströmungsgeschwindigkeit die Wasseraustragseigenschaft in dem stromabseitigen Abschnitt 50C, wo Wasser leicht ver­ harrt, verbessert werden.

Weil ferner die Stapelrichtung des Stapels 32 in einer Richtung gewählt ist, die senkrecht zur Schwerkraftrichtung ist, kann sich Wasser in Schwerkraftrichtung in dem gitter­ förmigen Kanal jedes Gaskanals 50 in der Nähe des Auslass­ lochs 62, 72 abwärts bewegen. Folglich kann ein Reaktions­ gasströmungskanal zuverlässig mindestens in einem in Schwerkraftrichtung oberen Abschnitt jeder Sammlerplatte 10 sichergestellt werden, wodurch wirksam eine Verminderung des Stromerzeugungswirkungsgrads, der durch einen Kanal blockierendes Wasser hervorgerufen ist, vermieden werden kann.

Ferner sind von den Verteilern 60A, 60B, 70A, 70B die Aus­ lassverteiler 60B, 70B in Schwerkraftrichtung unterhalb der Versorgungsverteiler 60A, 70A angeordnet. Folglich kann in dem Reaktionsgas in jedem Gaskanal 50 enthaltenes Wasser rasch stromabwärts bewegt werden und durch die Wirkung der Schwerkraft zusätzlich zu dem Reaktionsgasversorgungsdruck über die Auslasslöcher 62, 72 abgegeben werden. Somit kann die Wasseraustragseigenschaft verbessert werden.

In dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Kanal­ querschnittsflächen der Verteiler 60A, 60B, 70A, 70B der Oxidationsgaskanäle 50 und der Brennstoffgaskanäle (Öffnungsflächen der Versorgungslöcher 61, 71 und der Aus­ lasslöcher 62, 72) so gewählt, dass sie die vorgenannten Ungleichheitsbeziehungen (Ungleichung 2-1), (Ungleichung 2- 2), (Ungleichung 3-1), (Ungleichung 3-2) erfüllen. Dies ist jedoch nicht beschränkend. Beispielsweise ist es auch mög­ lich, die vorgenannten Beziehungen für die Kanalquer­ schnittsflächen der Verteiler der Oxidationsgaskanäle 50 oder der Verteiler der Brennstoffgaskanäle zu wählen.

Obwohl in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Kanal­ gesamtquerschnittsflächen SG1, SG2, des stromaufseitigen Abschnitts 50A und des stromabseitigen Abschnitts 50C so gewählt sind, dass sie die Ungleichheitsbeziehung (Unglei­ chung 1) bezüglich des Oxidationsgaskanals 50 und des Brennstoffgaskanals jeder Sammlerplatte 10 erfüllen, ist es auch möglich, die vorgenannte Ungleichheitsbeziehung für bzw. auf lediglich eine von der Kanalquerschnittsfläche des Oxidationsgaskanals 50 und der Kanalquerschnittsfläche des Brennstoffgaskanals zu verwenden bzw. anzuwenden.

Obwohl ferner das vorgenannte Ausführungsbeispiel auf der Basis der Annahme beschrieben ist, dass jede Sammlerplatte 10 mit sowohl dem Oxidationsgaskanal 50 als auch dem Brenn­ stoffgaskanal versehen ist, kann eine Sammlerplatte 10 le­ diglich einen der beiden Gaskanäle haben.

Die Sammlerplatte gemäß der Erfindung ist für eine Nieder­ temperatur-Brennstoffzelle geeignet, die bei Temperaturen arbeitet, die niedrig genug sind, um die Feuchtigkeit in der Zelle nicht vollständig zu verdampfen, d. h. insbesonde­ re für eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf das beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugtes Ausführungsbeispiel da­ von angesehen wird, ist anzumerken, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel oder dessen Konstruktion begrenzt ist. Im Gegenteil, die Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen ab­ decken.

Eine Brennstoffzelle 30 und eine Sammlerplatte 10 dafür, die die Eigenschaften der Verteilung von Reaktionsgasen auf Gaskanäle 50 verbessern können. Jede Sammlerplatte 10 der Brennstoffzelle hat reaktionsgasführende Gaskanäle 50, die in Stapeloberflächen ausgebildet sind, die benachbarten E­ lektrolytfilmen zugewandt sind. Jeder Gaskanal 50 ist mit einem Versorgungsloch 61 zum Zuführen und Verteilen eines Reaktionsgases sowie einem Auslassloch 62 zur Abgabe der Reaktionsgase aus dem Gaskanal 50 versehen. In einem Zu­ stand, in welchem Sammlerplatten 10 mit dazwischen angeord­ neten Elektrolytfilmen gestapelt sind, verbinden sich die Versorgungslöcher 61, um einen Versorgungsverteiler zu bil­ den, und die Auslasslöcher 62 verbinden sich, um einen Aus­ lassverteiler zu bilden. Die Öffnungsfläche jedes Auslass­ lochs 62 ist größer gewählt als die Öffnungsfläche jedes Versorgungslochs 61.

Claims (12)

1. Eine Sammlerplatte (10) einer Brennstoffzelle (30), wobei ein Gaskanal (50) zur Förderung eines Reaktionsgases in einer Stapelfläche der Sammlerplatte (10) ausgebildet ist, die einem Elektrolytfilm (22) zugewandt ist, der mit einer Reaktionselektrode (24) versehen ist, und wobei ein Versorgungsloch (61) zum Zuführen und Verteilen des Reakti­ onsgases in den Gaskanal (50) und ein Auslassloch (62) zum Abgeben des Reaktionsgases aus dem Gaskanal (50) in der Sammlerplatte (10) ausgebildet sind, und wobei die Sammler­ platte (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Öffnungsfläche des Auslasslochs (62) in der Samm­ lerplatte (10) größer ist als eine Öffnungsfläche des Ver­ sorgungslochs (61) in der Sammlerplatte (10)

2. Eine Sammlerplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Öffnungsflä­ che SA1 des Auslasslochs (62) und der Öffnungsfläche SA2 des Versorgungslochs (61)
1,0 < (SA1/SA2) < 3,0 beträgt.

3. Eine Sammlerplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass
der Gaskanal (50) einen Wendeabschnitt (50B) an einem zweiten Endabschnitt hat, der einem ersten Endabschnitt ge­ genüberliegt, wo das Versorgungsloch (61) ausgebildet ist, und
ein Abschnitt (50C) des Gaskanals, der nahe dem Aus­ lassloch (62) ausgebildet ist, ein gitterförmiger Kanal ist.

4. Eine Sammlerplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Gaskanal (50) einen Wendeabschnitt (50B) an einem zweiten Endabschnitt hat, der einem ersten Endabschnitt ge­ genüberliegt, wo das Versorgungsloch (61) ausgebildet ist, und
eine Gaskanalquerschnittsfläche eines Abschnitts stromabwärts des Wendeabschnitts (50B) kleiner ist als eine Gaskanalquerschnittsfläche eines Abschnitts stromaufwärts des Wendeabschnitts (50B).

5. Eine Sammlerplatte (10) nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Kanalquer­ schnittsfläche SA3 des Gaskanals (50) auf einer stromabwär­ tigen Seite und der Kanalquerschnittsfläche SA4 des Gaska­ nals (50) auf einer stromaufwärtigen Seite
0,3 < (SA3/SA4) < 1,0 beträgt.

6. Eine Sammlerplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammlerplatte (10) eine im Wesentlichen rechtecki­ ge Form hat, und
ein Brennstoffgaskanal als der Gaskanal in einer ers­ ten Oberfläche von zwei gegenüberliegenden Stapelflächen der Sammlerplatte (10), die Elektrolytfilmen (22) gegenü­ berliegen, ausgebildet ist und ein Oxidationsgaskanal als der Gaskanal in einer zweiten Oberfläche ausgebildet ist, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, und ein Brenn­ stoffgasversorgungsloch als das Versorgungsloch, ein Oxida­ tionsgasversorgungsloch als das Versorgungsloch, ein Brenn­ stoffgasauslassloch als das Auslassloch und ein Oxidations­ gasauslassloch als das Auslassloch in der Sammlerplatte (10) ausgebildet sind, und
jeder von dem Brennstoffgaskanal und den Oxidations­ gaskanal eine Form hat, die im Wesentlichen symmetrisch be­ züglich einer Halbierenden der Sammlerplatte ist, und das Brennstoffgasversorgungsloch und das Oxidationsgasversor­ gungsloch an Positionen ausgebildet sind, die bezüglich der Halbierenden im Wesentlich symmetrisch sind, und das Brenn­ stoffgasauslassloch und das Oxidationsgasauslassloch an Po­ sitionen ausgebildet sind, die im Wesentlichen bezüglich der Halbierenden symmetrisch sind.

7. Brennstoffzelle (30) mit einem Stapel (32), der durch Stapeln einer Vielzahl von Sammlerplatten (10) und einer Vielzahl von Elektrolytfilmen (22), die mit Reaktionselekt­ roden (24) versehen sind, gebildet ist, wobei ein Versor­ gungsverteiler (60A, 70A) zur Zuführung und Verteilung ei­ nes Reaktionsgases in Gaskanäle, die zwischen den Elektro­ lytfilmen (22) und den Sammlerplatten (10) ausgebildet sind, und ein Auslassverteiler (60B, 70B), in den das Reak­ tionsgas in den Gaskanälen abgegeben wird, innerhalb des Stapels (32) in einer Stapelrichtung des Stapels (32) aus­ gebildet sind, wobei die Brennstoffzelle (30) dadurch ge­ kennzeichnet ist, dass
eine Kanalquerschnittsfläche des Auslassverteilers (60B, 70B) größer ist als eine Kanalquerschnittsfläche des Versorgungsverteilers (60A, 70A).

8. Brennstoffzelle (30) nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Kanalquer­ schnittsfläche SB1 des Auslassverteilers (60B, 70B) und der Kanalquerschnittsfläche SB2 des Versorgungsverteilers (60A, 70A)
1,0 < (SB1/SB2) < 3,0 beträgt.

9. Brennstoffzelle (30) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gaskanal einen Wendeabschnitt (50B) an einem Endabschnitt der Sammlerplatte (10) in der Stapeloberfläche der Sammlerplatte (10) hat, die einem be­ nachbarten Elektrolytfilm (22) zugewandt ist, und dass ein Abschnitt des Gaskanals, der nahe einem Verbindungsab­ schnitt zu dem Auslassverteiler ist, als ein gitterförmiger Kanal ausgebildet ist, und mindestens ein Abschnitt eines Abschnitts des Gaskanals abweichend von dem gitterförmigen Kanal als eine Vielzahl von unabhängigen Kanälen ausgebil­ det ist.

10. Brennstoffzelle (30) nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Stapel (32) durch Stapeln der Elektro­ lytfilme (22) und der Sammlerplatten (10) in einer Richtung gebildet ist, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung ist.

11. Brennstoffzelle (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gaskanal einen Wen­ deabschnitt (50B) an einem Endabschnitt der Sammlerplatte (10) in der Stapeloberfläche der Sammlerplatte (10) hat, die einem benachbarten Elektrolytfilm (22) zugewandt ist, und dass eine Gaskanalquerschnittsfläche an einer Seite stromabwärts des Wendeabschnitts (50B) kleiner ist als eine Gaskanalquerschnittsfläche an einer Seite stromaufwärts des Wendeabschnitts (50B)

12. Brennstoffzelle (30) nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Kanalquer­ schnittsfläche SB3 des Gaskanals (50) an einer stromabwär­ tigen Seite und der Kanalquerschnittsfläche 5B4 des Gaska­ nals (50) an einer stromaufwärtigen Seite
0,3 < (SB3/SB4) < 1,0 beträgt.