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TECHNISCHER HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran.
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2. Einschlägiger Stand der Technik
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Die Einheitszelle einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran besteht aus einem Stapelkörper, der durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung (im folgenden als MEA bezeichnet) und eines Separators gebildet wird. Die MEA umfaßt eine elektrolytische Membran, bei der es sich um eine Ionenaustauschmembran handelt, eine Elektrode (Anode, Kraftstoffelektrode), bestehend aus einer katalytischen Schicht auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran, und eine weitere Elektrode (Kathode, Luftelektrode), bestehend aus einer anderen katalytischen Schicht auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran. Eine Diffusionsschicht ist zwischen der MEA und dem Separator bereitgestellt. Im Separator sind Kanäle bereitgestellt, durch die ein Brenngas (Wasserstoff) und ein Oxidationsgas (Sauerstoff, im allgemeinen Luft) zur Anode und zur Kathode geliefert werden, und ein Kanal, durch den ein Kältemittel (im allgemeinen ein Kühlmittel) strömt. Ein Modul umfaßt mindestens eine Einheitszelle. Ein Zellstapelkörper wird durch Stapeln der Module gebildet. Ein Anschluß, ein Isolator und eine Endplatte sind an beiden Enden des Zellstapels in Stapelrichtung der Zellen (im folgenden als „Zellstapelrichtung” bezeichnet) bereitgestellt. Der Zellstapelkörper wird mittels eines Befestigungselements (z. B. eines Spanntellers), das außerhalb des Zellstapelkörpers angeordnet ist und sich in Zellstapelrichtung erstreckt, fixiert, wodurch ein Brennstoffzellen-Stapel gebildet wird. In der Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran findet an der Anodenseite eine Reaktion statt, bei der Wasserstoff in ein Wasserstoffion und ein Elektron zerfällt, und das Wasserstoffion wandert durch die Elektrolytmembran zur Kathodenseite. An der Kathodenseite findet eine Reaktion statt, bei der aus Sauerstoff, Wasserstoffion und einem Elektron Wasser gebildet wird (das Elektron, das an der Anodenseite der benachbarten MEA erzeugt wurde, wandert durch den Separator auf die Kathodenseite). Anodenseite: H2 → 2H+ + 2e– Kathodenseite: 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O
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Im Separator sind eine konkave Nut und eine konvexe Rippe ausgebildet. Die konkave Nut auf derjenigen Oberfläche des Separators, die auf die MEA gerichtet ist, stellt einen Gaskanal dar, durch welchen das Brenngas oder das Oxidationsgas hindurchströmen. Die konvexe Rippe berührt die Diffusionsschicht und stellt einen leitfähigen Durchtritt dar. Wenn als Separator ein Metallseparator verwendet wird, werden die konkave Nut und die konvexe Rippe im allgemeinen durch Preßformen gebildet. Die Rückseite der konvexen Rippe (d. h. die Fläche gegenüber der Fläche, die auf die MEA gerichtet ist) stellt einen Kältemittelkanal dar. Die
japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-196079 offenbart einen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle, in dem mehrere konvexe Abschnitte regelmäßig so auf der Oberfläche eines Metallseparators angeordnet sind, daß sie voneinander getrennt sind, und daß das Gas zwischen den konvexen Abschnitten strömt, d. h. einen gegliederten Aufbau mit konvexen Abschnitten.
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Es stellen sich jedoch folgende Probleme im Zusammenhang mit diesem Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle. i) Es ist schwierig, sowohl das Gas als auch das Kühlmittel ungehindert strömen zu lassen. ii) Es ist schwierig, den Separator in Zellstapelrichtung zu verkleinern und daher ist es schwierig, den Stapel klein zu halten.
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Wir wollen den Grund beschreiben, warum es beispielsweise bei der Verwendung eines Metallseparators zu diesen Problemen kommt. Zuerst wollen wir den Grund für die Probleme im Zusammenhang mit dem Gasstrom und dem Kältemittelstrom beschreiben. Ein Teil der Separatoroberfläche kann geflutet werden, und der Gaskanal kann aufgrund des Flutens blockiert sein. Daher sollte vorzugsweise auf jeder der konvexen Rippen zwischen den Gaskanälen eine Gas-Quernut gebildet werden, und die konvexe Rippe sollte in Verlaufsrichtung des Gaskanals unterteilt werden, so daß das Gas aus einem Gaskanal in den angrenzenden Gaskanal strömen kann, wenn ein Gaskanal blockiert ist. In diesem Fall wird der Kältemittelkanal an der Rückseite der konvexen Rippe abgeflacht, oder der Kältemittelkanal wird aufgrund der Ausbildung der Gas-Quernut geteilt. Infolgedessen kommt es zu Problemen im Zusammenhang mit dem Kältemittelstrom. So ist es schwierig, mittels der Gas-Quernut einen ungehinderten Gasstrom im Fall einer Überflutung zu ermöglichen und gleichzeitig zu ermöglichen, daß das Kältemittel im Kältemittelkanal an der Rückseite der konvexen Rippe ungehindert strömt. Nun wird der Grund für die Probleme im Zusammenhang mit der Größe des Separators in Zellstapelrichtung beschrieben. Wenn die Gas-Quernut, die auf der konvexen Rippe ausgebildet wird, verflacht wird, um einen Kältemittelkanal an der Rückseite der Gas-Quernut bereitzustellen, ist die Dicke des Separators die Summe der Tiefe der Gas-Quernut und der Tiefe des Kältemittelkanals an der Rückseite der konvexen Rippe. Wenn daher eine Gas-Quernut mit einer erforderlichen Tiefe und ein Kältemittelkanal mit einer erforderlichen Tiefe bereitgestellt werden, wird der Separator in Dickenrichtung, d. h. in Zellstapelrichtung, unausweichlich vergrößert. Infolgedessen ist es schwierig, den Stapel in Zellstapelrichtung klein zu halten.
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Aus der
DE 102 48 531 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bestehend aus einem Brennstoffzellenstack mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, welche jeweils durch Bipolarplatten von einander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplattenöffnung zur Kühlung oder Medienzu- und -abfuhr zu den Brennstoffzellen aufweisen und der Brennstoffzeflenstack in Richtung der Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, bekannt.
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Aus der
US 200210081477 A1 ist eine Brennstoffzelle mit gewellten Seperatorflächen mit einer Mehrzahl von parallelen Kanälen zur Führung von Brennstoff und Kältemitteln bekannt. Die Strömungswege sind in Serpentinenform vorgesehen und weisen Verbindungen zwischen Kanälen auf.
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Die
US 6,372,373 B1 betrifft eine Brennstoffzelle mit einem vereinfachten Aufbau von hoher mechanischer Festigkeit und verbesserter Gasdichtheit. Diese Gasdichtheit wird an den Flanken oder der Innenseite der Module erzielt, um zwischen der Elektrode und dem Seperator eine Gasdichtheit zu erzielen.
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Die
US 4,769,297 weist eine Brennstoffzelle auf, welche mit Wasser gefüllt wird, wobei die Verdampfung des Wassers eine Abkühlung der Brennstoffzelle bewirkt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, der ermöglicht, daß sowohl ein Gas als auch ein Kältemittel ungehindert strömen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, der einen kompakten Separator ermöglicht.
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Ein Aspekt der Erfindung, mit dem die genannten Aufgaben gelöst werden sollen, betrifft eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Einheitszelle umfaßt. Die Einheitszelle umfaßt einen ersten Separator, der an einer Seite der MEA angeordnet ist und der eine erste konkave Nut aufweist, die einen ersten Gaskanal darstellt, und eine erste konvexe Rippe, deren Rückseite einen ersten Kältemittelkanal darstellt, und auf der eine erste Gas-Quernut ausgebildet ist; sowie einen zweiten Separator, der an der anderen Seite der MEA angeordnet ist und der eine zweiten konkave Nut aufweist, die einen zweiten Gaskanal darstellt, und eine zweite konvexe Rippe, deren Rückseite einen zweiten Kältemittelkanal darstellt, und auf der eine zweite Gas-Quernut ausgebildet ist. Wenn eine Mehrzahl von ersten Separatoren und eine Mehrzahl von zweiten Separatoren gestapelt werden, wird durch Kombinieren des ersten Kältemittelkanals und des zweiten Kältemittelkanals in Zellstapelrichtung ein gemeinsamer Kältemittelkanal ausgebildet. Die Querschnittsfläche des gemeinsamen Kältemittelkanals ist in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals gleich oder größer als die des ersten Kältemittelkanals und die des zweiten Kältemittelkanals.
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Im oben genannten Separator für eine Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird eine erste Gas-Quernut auf der konvexen Rippe des ersten Separators ausgebildet, und eine zweite Gas-Quernut wird auf der konvexen Rippe des zweiten Separators ausgebildet. Selbst wenn ein Gaskanal aufgrund des Flutens eines Teils der Separatoroberfläche blockiert wird, kann das Gas daher durch die Gas-Quernut zum benachbarten Gaskanal strömen. So kann das Strömen des Gases gewährleistet werden, und es kann die Situation vermieden werden, daß im ganzen Gaskanal kein Strom erzeugt werden kann. Außerdem weist der gemeinsame Kältemittelkanal in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals überall eine Querschnittsfläche auf, die gleich oder größer ist als die des ersten Kältemittelkanals, und die ebenso gleich oder größer ist als die des zweiten Kältemittelkanals. Daher wird der gemeinsame Kältemittelkanal von der Gas-Quernut nicht unterteilt, und das Kältemittel kann ungehindert strömen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Einheitszelle umfaßt. Die Einheitszelle umfaßt einen ersten Separator, der an einer Seite einer MEA angeordnet ist und der eine erste konkave Nut aufweist, die einen ersten Gaskanal darstellt, und eine erste konvexe Rippe, deren Rückseite einen ersten Kältemittelkanal darstellt, und worauf eine erste Gas-Quernut ausgebildet ist; sowie einen zweiten Separator, der an der anderen Seite der MEA angeordnet ist und der eine zweite konkave Nut aufweist, die einen zweiten Gaskanal darstellt, und eine zweite konvexe Rippe, deren Rückseite einen zweiten Kältemittelkanal darstellt, und auf der eine zweite Gas-Quernut ausgebildet ist. In einem gemeinsamen Kältemittelkanal, der durch Kombinieren des ersten Kältemittelkanals und des zweiten Kältemittelkanals in Zellstapelrichtung ausgebildet wird, wenn eine Mehrzahl von ersten Separatoren und eine Mehrzahl von zweiten Separatoren gestapelt werden, sind die erste Gas-Quernut und die zweite Gas-Quernut in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals versetzt zueinander angeordnet.
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Bei diesem Aufbau ist eine erste Gas-Quernut auf der konvexen Rippe des ersten Separators gebildet, und eine zweite Gas-Quernut ist auf der konvexen Rippe des zweiten Separators gebildet. Selbst wenn ein Gaskanal aufgrund eines Flutens in einem Teil der Separatoroberfläche blockiert wird, kann das Gas daher durch die Gas-Quernut zum benachbarten Gaskanal strömen. So kann die Strömung des Gases gewährleistet werden, und es kann die Situation vermieden werden, daß im gesamten Gaskanal kein elektrischer Strom erzeugt werden kann. Außerdem sind die erste Gas-Quernut des ersten Separators und die zweite Gas-Quernut des zweiten Separators in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals versetzt zueinander angeordnet. Daher wird der Kältemittelkanal von der Gas-Quernut nicht unterteilt, und das Kältemittel kann ungehindert im Kältemittelkanal strömen. Infolgedessen können sowohl das Gas als auch das Kältemittel ungehindert strömen. Da die erste Gas-Quernut des ersten Separators und die zweite Gas-Quernut des zweiten Separators in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals versetzt zueinander angeordnet sind, ist es nicht notwendig, die Kältemittelkanäle des ersten Separators oder des zweiten Separators zu vertiefen, und somit müssen weder der erste Separator noch der zweite Separator dicker gemacht werden, damit das Kältemittel ungehindert strömen kann. Infolgedessen muß der Stapel in Zellstapelrichtung nicht vergrößert werden, obwohl Gas-Quernuten bereitgestellt sind, und somit bleibt der Stapel kompakt.
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Im oben genannten Aspekt der Erfindung können die erste konkave Nut und die erste konvexe Rippe mehrfach bereitgestellt und in Verlaufsrichtung der ersten konkaven Nut und der ersten konvexen Rippe parallel zueinander angeordnet sein, und die erste Gas-Quernut kann senkrecht zur Verlaufsrichtung der ersten konvexen Rippe angeordnet und mit mindestens zwei der ersten konkaven Nuten verbunden sein; und die zweite konkave Nut und die zweite konvexe Rippe können mehrfach bereitgestellt sein und können in Verlaufsrichtung der zweiten konkaven Nut und der zweiten konvexen Rippe parallel zueinander angeordnet sein, und die zweite Gas-Quernut kann senkrecht zur Verlaufsrichtung der zweiten konvexen Rippe angeordnet und mit mindestens zwei der zweiten konkaven Nuten verbunden sein.
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Im oben genannten Aspekt der Erfindung können die erste Gas-Quernut und die zweite Gas-Quernut außerdem mehrfach bereitgestellt und in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals abwechselnd angeordnet sein, und die Abstände zwischen nebeneinander liegenden ersten und zweiten Gas-Quernuten können im wesentlichen gleich groß sein. Da bei diesem Ausbau die ersten Gas-Quernuten und die zweiten Gas-Quernuten in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals abwechselnd angeordnet sind, und die Abstände zwischen nebeneinander liegenden ersten und zweiten Gas-Quernuten im wesentlichen gleich groß sind, bleibt die Querschnittsfläche des Kältemittelkanals in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals im wesentlichen gleich, und somit kann das Kältemittel ungehindert strömen.
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Im oben genannten Aspekt der Erfindung kann es sich bei dem ersten Separator außerdem um einen Metallseparator handeln, und die erste konkave Nut, die erste konvexe Rippe und die erste Gas-Quernut können durch Preßformen gebildet werden; und bei dem zweiten Separator kann es sich um einen Metallseparator handeln, und die zweite konkave Nut, die zweite konvexe Rippe und die zweite Gas-Quernut können durch Preßformen gebildet werden. So ist es selbst dann, wenn es sich sowohl bei dem ersten Separator als auch dem zweiten Separator um einen Metallseparator handelt, möglich, ein ungehindertes Strömen sowohl des Gases als auch des Kältemittels zu ermöglichen, indem man erste und zweite Gas-Quernuten auf den Separatoren ausbildet und die erste Gas-Quernut und die zweite Gas-Quernut abwechselnd anordnet.
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Im oben genannten Aspekt der Erfindung kann die Tiefe der ersten Gas-Quernut gleich der Höhe der ersten konkaven Rippe sein, und die Tiefe der zweiten Gas-Quernut kann gleich der Höhe der zweiten konkaven Rippe sein. Bei dieser Anordnung ist die Gas-Quernut so ausgebildet, daß ihre Höhe der Gesamthöhe der konvexen Rippe entspricht, und in einem Teil des Separators, welcher der Gas-Quernut eines anderen Separators entspricht, der den einen Separator überschneidet, ist keine Gas-Quernut bereitgestellt. Daher ist die Querschnittsfläche des Kältemittelkanals in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals im wesentlichen gleich, und der Separator kann in Zellstapelrichtung kompakt gestaltet werden.
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Im oben genannten Aspekt der Erfindung können die erste konvexe Rippe und die zweite konvexe Rippe die MEA berühren, und sowohl der Anteil der Kontaktfläche zwischen sämtlichen ersten konvexen Rippen und der MEA als auch der Anteil der Kontaktfläche zwischen sämtlichen konvexen Rippen und der MEA können 20% bis 40% betragen. Die Breite der ersten konvexen Rippe und der zweiten konvexen Rippe kann jeweils 0,5 mm bis 1,5 mm betragen. Die Höhe der ersten konvexen Rippe und der zweiten konvexen Rippe kann jeweils 0,3 mm bis 0,6 mm betragen. Sowohl der Abstand zwischen den ersten Gas-Quernuten als auch der Abstand zwischen den zweiten Gas-Quernuten können 2 mm bis 50 mm betragen. Sowohl die Länge der ersten Gas-Quernut in Verlaufsrichtung der ersten konvexen Rippe als auch die Länge der zweiten Gas-Quernut in Verlaufsrichtung der zweiten konvexen Rippen können 0,5 mm bis 3 mm betragen. Die Breite sowohl der ersten konkaven Nut als auch die Breite der zweiten konkaven Nut können 0,5 mm bis 3 mm betragen. Dies sind Beispiele für die Form und Größe der konvexen Rippe und der konkaven Nut.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist eine schematische Darstellung einer ganzen Brennstoffzelle, auf welche die Erfindung angewandt ist, wobei die Zellstapelrichtung der Vertikalen entspricht;
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2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelle von 1;
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3 ist eine Draufsicht auf einen Separator, auf welchen der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle angewendet ist;
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4 ist eine Schnittansicht von 3, die einen Teil der Einheitszelle zeigt, auf welche der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle angewendet ist;
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5 ist eine Schnittansicht des Separatorkanalaufbaus für eine Brennstoffzelle von 4.
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6 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Separatorkanalaufbaus für eine Brennstoffzelle;
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7 ist eine Draufsicht auf den Harzrahmen des Separators der Brennstoffzelle, auf welche die Erfindung angewendet wird;
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8 ist eine Schnittansicht von 3;
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9 ist eine Schnittansicht von 7;
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10 ist eine Darstellung von Spannungs/Stromdichte-Verlaufskurven in einer Ausführungsform der Erfindung, in der Gas-Quernuten in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals an verschiedenen Stellen angeordnet sind, und in einem Vergleichsbeispiel, in dem die Gas-Quernuten in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals an der gleichen Stelle angeordnet sind;
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11 ist eine Darstellung der Spannungs/Sromdichte-Verlaufskurven für Fälle, in denen die konvexe Rippe durch Gas-Quernuten mit Abständen von 10 mm, Gas-Quernuten mit Abständen von 50 mm und Gas-Qernuten mit Abständen von 100 mm unterteilt ist, und für den Fall, daß die konvexe Rippe nicht durch Gas-Qernuten unterteilt ist (der herkömmliche Fall); und
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12 ist eine Querschnittsdarstellung eines Teils des Separatorkanalaufbaus gemäß einem Vergleichsbeispiel, in dem Quernuten in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals einander gegenüber bereitgestellt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle mit Bezug auf 1 bis 12 beschrieben. 12 zeigt ein Vergleichsbeispiel (das Vergleichsbeispiel liegt nicht im Bereich der Erfindung). Der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle wird auf eine Brennstoffzelle 10 mit Protonenaustauschmembran angewendet. Die Brennstoffzelle 10 wird beispielsweise in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug installiert. Die Brennstoffzelle 10 kann jedoch auch für Systeme verwendet werden, bei denen es sich nicht um Fahrzeuge handelt.
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Eine Einheitszelle 19 der Brennstoffzelle 10 mit Protonenaustauschmembran wird durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung und eines Separators 18 gebildet, wie in 1 bis 11 dargestellt. Wie in 2 dargestellt, umfaßt die MEA eine Elektrolytmembran 11, bei der es sich um eine Ionenaustauschmembran handelt, eine Elektrode 14 (Anode, Brennstoffelektrode), die eine katalytische Schicht 12 auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 11 aufweist, und eine Elektrode 17 (Kathode, Luftelektrode), die eine katalytische Schicht 15 auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 11 aufweist. Eine Diffusionsschicht 13 ist zwischen der Elektrode 17 und dem Separator 18 vorgesehen. Wie in 3 bis 6 dargestellt, sind im Separator 18 Reaktionsgaskanäle 27, 28, durch die ein Brenngas (Wasserstoff) und ein Oxidationsgas (Sauerstoff, im allgemeinen Luft) zur Elektrode 14 und zur Elektrode 17 geliefert werden, sowie ein Kältemittelkanal 26 (auch als „Kühlmittelkanal” bezeichnet), durch den ein Kältemittel (allgemein als „Kühlmittel” bezeichnet) strömt, bereitgestellt. Für jede Zelle oder für jede Gruppe aus mehreren Zellen ist ein Kältemittelkanal bereitgestellt. Ein Modul umfaßt mindestens eine Einheitszelle (in dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel besteht ein Modul aus einer Zelle). Eine Modulgruppe wird durch Stapeln der Module gebildet. An beiden Enden des Zellstapelkörpers sind in Zellstapelrichtung jeweils ein Anschluß 20, ein Isolator 21 und eine Endplatte 22 angeordnet, wie in 1 dargestellt. Der Zellstapelkörper wird mittels eines Befestigungselements 24, das außerhalb des Zellstapelkörpers angeordnet ist (z. B. ein Spannteller oder ein durchgehender Bolzen), und das in Zellstapelrichtung verläuft, und eines Bolzens 25 oder einer Bolzenmutter befestigt, wodurch ein Brennstoffzellen-Stapel 23 gebildet wird.
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Die Katalysatorschichten 12, 15 bestehen aus Platin (Pt), Kohlenstoff (C) und Elektrolyt. Die Diffusionsschichten 13, 16 bestehen aus Kohlenstoff (C). Wie in 3 bis 9 dargestellt, umfaßt der Separator 18 einen ersten Separator 18A, einen zweiten Separator 18B, einen ersten Harzrahmen 18C und einen zweiten Harzrahmen 18D. Sowohl der erste Harzrahmen 18C als auch der zweite Harzrahmen 18D weisen im Abschnitt 29 eine Aussparung auf, die dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle entspricht (im folgenden als „Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt” bezeichnet).
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Der erste Separator 18A und der Harzrahmen 18C sind auf der Brennstoffelektroden-Seite der MEA angeordnet. Der erste Separator 18A trennt das Brenngas vom Kühlmittel. Der zweite Separator 18B und der zweite Harzrahmen 18D befinden sich auf der Luftelektroden-Seite der MEA. Der zweite Separator 18B trennt das Oxidationsgas vom Kühlmittel. Der erste Separator 18A und der zweite Separator 18B bestehen aus Metall. Im folgenden werden sie auch als „Metallseparator 18A” und „Metallseparator 18B” bezeichnet. Der erste Harzrahmen 18C und der zweite Harzrahmen 18D bestehen aus Harz (nicht-leitfähigem Harz).
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Die MEA liegt zwischen dem Metallseparator 18A und dem Metallseparator 18B. Wenn die MEA zwischen dem Metallseparator 18A und dem Metallseparator 18B liegt, befindet sich der Harzrahmen 18C an der MEA-Seite des Metallseparators 18A, und der Harzrahmen 18D befindet sich an der MEA-Seite des Metallseparators 18B. So sind der Metallseparator 18A, der Harzrahmen 18C, die MEA, der Harzrahmen 18D und der Metallseparator 18B in dieser Reihenfolge gestapelt. Da jeder der Harzrahmen 18C, 18D eine Aussparung im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 aufweist, sind der Metallseparator 18A, die MEA, der Metallseparator 18B im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 in der Reihenfolge gestapelt wie in 4 und 5 dargestellt. Abgesehen vom Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 sind der Metallseparator 18A, der Harzrahmen 18C, der Harzrahmen 18D und der Metallseparator 18B in der Reihenfolge gestapelt wie in 8 und 9 dargestellt.
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In der Einheitszelle 19 sind konkave Abschnitte und konvexe Abschnitte (konkave Nuten und konvexe Rippen) durch Preßformen auf dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B ausgebildet. Ein erster Gaskanal (Brenngaskanal) 27 ist auf der MEA-Seite des ersten Separators 18A ausgebildet, und ein Kältemittelkanal 26 ist auf der Seite des ersten Separators 18A ausgebildet, die der MEA-Seite gegenüberliegt. Ein zweiter Gaskanal (Oxidationsgaskanal) 28 ist auf der MEA-Seite des zweiten Separators 18B ausgebildet, und ein Kältemittelkanal 26 ist auf der Seite des zweiten Separators 18Ba ausgebildet, die der MEA-Seite gegenüberliegt. Sowohl der Brenngaskanal 27 als auch der Oxidationsgaskanal 18 umfassen eine Kanalgruppe, die durch die parallele Anordnung von mehreren Kanälen gebildet wird. 3 zeigt den Fall, wo gerade Kanäle vorgesehen sind. Es können jedoch auch gekrümmte Kanäle vorgesehen sein.
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Wie in 3 dargestellt, sind im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 des Separators 18 ein Brenngaseinlaß und ein Brenngasauslaß des Brenngaskanals 27 vorgesehen, so daß sie einander zu beiden Seiten des Energieerzeugungsabschnitts 29 gegenüberliegen (d. h. der Brenngaseinlaß und der Brenngasauslaß sind an gegenüberliegenden Seiten des Abschnitts 29 bereitgestellt). Ebenso sind ein Oxidationsgaseinlaß und ein Oxidationsgasauslaß des Oxidationsgaskanals 28 im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 des Separators 18 vorgesehen, so daß sei einander zu beiden Seiten des Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitts 29 gegenüberliegen (d. h. der Oxidationsgaseinlaß und der Oxidationsgasauslaß sind an gegenüberliegenden Seiten des Abschnitts 29 bereitgestellt).
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In jedem der einander gegenüberliegenden Abschnitte 30, 31 zu beiden Seiten des Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitts 29 in jedem der Metallseparatoren 18A, 18B und dir Harzrahmen 18B, 18D ist ein Sammelabschnitt ausgebildet. Im Sammelabschnitt sind ein Kältemittel-Sammelabschnitt 32, ein Brenngas-Sammelabschnitt 33 und ein Oxidationsgas-Sammelabschnitt 34 ausgebildet. In dem einen gegenüberliegenden Abschnitt 31 sind ein einlaßseitiges Kältemittel-Sammelrohr 32a, ein auslaßseitiges Brenngas-Sammelrohr 33b und ein auslaßseitiges Oxidationsgas-Sammelrohr 34b vorgesehen. Im anderen gegenüberliegenden Abschnitt 30 sind ein auslaßseitiges Kältemittel-Sammelrohr 32b, ein einlaßseitiges Brenngas-Sammelrohr 33a und ein einlaß-seitiges Oxidationsgas-Sammelrohr 34a bereitgestellt.
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Ein Gaskanal-Verbindungsabschnitt, der eine Verbindung zwischen dem Sammelabschnitt und dem Gaskanalabschnitt herstellt, ist sowohl im Harzrahmen 18C als auch im Harzrahmen 18D bereitgestellt, wie in 7 dargestellt (7 zeigt den Harzrahmen 18D, aber der Harzrahmen 18C ist dem Harzrahmen 18D ähnlich). Im Gaskanal-Verbindungsabschnitt sind Gasströmungs-Richtabschnitte 35, 36 ausgebildet. Die Gasströmungs-Richtabschnitte 35, 36 richten den Strom des Gases in orthogonaler Richtung zu einer Linie aus, welche die gegenüberliegenden Abschnitte 30, 31 verbindet, und ermöglichen es, daß das Gas zwischen dem Gaskanalabschnitt und dem Sammelrohrabschnitt gleichmäßig in orthogonaler Richtung zu einer Linie, welche die einander gegenüberliegenden Abschnitte 30, 31 verbindet, diffundiert oder konzentriert wird. Das heißt, der Gasstrom-Richtabschnitt 35 ermöglicht es, daß das in ihm strömende Gas vom einlaßseitigen Gassammelrohr über die ganze Breite des Gaskanalabschnitts diffundiert und in den Gaskanalabschnitt strömt. Der Gasstrom-Richtabschnitt 36 ermöglicht es, daß das vom Gaskanalabschnitt in ihn geströmte Gas konzentriert wird und in das Gassammelrohr strömt.
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Eine Gummidichtung 39 ist zwischen benachbarten Metallseparatoren oder zwischen den Zellen vorgesehen, so daß eine Abdichtung zwischen dem Kältemittel-Sammelrohr 32, dem Brenngas-Sammelrohr 33 und dem Oxidationsgas-Sammelrohr 34 bereitgestellt wird, wie in 8 und 9 dargestellt. Als Gummidichtung 39 kann ein O-Ring oder dergleichen verwendet werden. Ein klebender Dichtungsabschnitt 38, auf den ein Klebstoff aufgebracht wird (ein diagonal schraffierter Abschnitt in 7) ist auf jedem der Harzrahmen 18C, 18D ausgebildet, um eine Abdichtung zwischen dem Harzrahmen und dem Bauteil, das in Zellstapelrichtung an den Harzrahmen angrenzt (d. h. dem Metallseparator oder dem Harzrahmen) bereitzustellen, und um eine Abdichtung zwischen dem Kältemittel-Sammelrohr 32, dem Brenngas-Sammelrohr 33 und dem Oxidationsgas-Sammelrohr 34 bereitzustellen, wie in 7, 8 und 9 dargestellt.
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Der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau ist wie folgt. Wie in 3 bis 6 dargestellt, umfaßt im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 der Einheitszelle 19 der erste Separator 18A, der sich auf einer Seite der MEA befindet, konkave Nuten 18Ag und konvexe Rippen 18Ap, und der zweite Separator 18B, der sich auf der anderen Seite der MEA befindet, umfaßt konkave Nuten 18Bg und konvexe Rippen 18Bp. Die konkaven Nuten 18Ag stellen den Brenngaskanal 27 dar. Die Rückseiten der konvexen Rippen 18Ap stellen einen ersten Kältemittelkanal 26a dar. Die konkaven Nuten 18Bg stellen einen Oxidationsgaskanal 28 dar, und die Rückseiten der konvexen Rippen 18Bp stellen einen zweiten Kältemittelkanal 26b dar. Sowohl die konkaven Nuten 18Ag als auch die konkaven Nuten 18Bg sind zur MEA hin offen. Die Oberseiten sowohl der konvexen Rippen 18Ap als auch der konvexen Rippen 18Bp berühren die Diffusionsschicht.
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Der erste Kältemittelkanal 26a des ersten Separators 18A einer Zelle 19 und der zweite Kältemittelkanal 26b des zweiten Separators 18B einer benachbarten Zelle 19 sind in Zellstapelrichtung einander gegenüber angeordnet, so daß ein gemeinsamer Kältemittelkanal 26 gebildet wird. Das heißt, der Kältemittelkanal 26 an der Oberfläche des Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitts 29 des Separators 18A einer Zelle 19 auf der Seite, die der MEA-Seite gegenüberliegt, ist vom Kältemittelkanal 26 auf der Oberfläche des Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitts 29 des Separators 18B der benachbarten Zelle auf der Seite gegenüber der MEA-Seite nicht getrennt, und es besteht eine Verbindung zwischen den beiden Kältemittelkanälen 26. In einer Zelle 19 an beiden Seiten der MEA entspricht der Brenngaskanal 27 dem Oxidationsgaskanal 28.
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Auf jeder konvexen Rippe 18Ap des ersten Separators 18A sind erste Gas-Quernuten (Brenngas-Quernuten) 18Ac ausgebildet. Auf jeder konvexen Rippe 18Bp des zweiten Separators 18B sind zweite Gas-Quernuten (Oxidationsgas-Quemuten) 18Bc ausgebildet. Jede der Brenngas-Quernuten 18Ac stellt eine Verbindung zwischen den konkaven Nuten 18Ag her, die auf beiden Seiten der konvexen Rippe 18Ap den Brenngaskanal 27 darstellen. Jede der Oxidationsgas-Quernuten 18Bc stellt eine Verbindung zwischen den konkaven Nuten 18Bg auf beiden Seiten der konvexen Rippe 18Bp dar. Der gemeinsame Kältemittelkanal 26 weist eine Querschnittsfläche auf, die in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals 26 überall gleich oder größer ist als die des ersten Kältemittelkanals 26a, und die ebenso überall gleich oder größer ist als die des zweiten Kältemittelkanals 26b. Das heißt, die Querschnittsfläche des Kältemittelkanals 26 ist gleich oder größer als die des Kältemittelkanals 26a und ist gleich oder größer als die des Kältemittelkanals 26b.
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Die Brenngas-Quernut 18Ac, die auf der konvexen Rippe 18Ap des ersten Separators 18A ausgebildet ist, und die Oxidationsgas-Quernut 18Bc, die auf der konvexen Rippe 18Bp des zweiten Separators 18B ausgebildet ist, sind in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals in verschiedenen Abschnitten angeordnet (d. h., die Brenngas-Quernut 18Ac und die Oxidationsgas-Quernut 18Bc sind zueinander versetzt angeordnet)), wie in 4 dargestellt. Genauer gesagt sind die Brenngas-Quernuten 18Ac des ersten Separators 18A und die Oxidationsgas-Quernuten 18Bc des zweiten Separators 18B in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals 26 abwechselnd angeordnet. Darüber hinaus ist die Brenngas-Quernut 18Ac im wesentlichen mittig zwischen den Oxidationsgas-Quernuten 18Bc zu beiden Seiten der Brenngas-Quernut 18Ac angeordnet, und die Oxidationsgas-Quernut 18Bc ist im wesentlichen mittig zwischen den Brenngas-Quernuten 18Ac zu beiden Seiten der Oxidationsgas-Quernut 18Bc angeordnet.
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Bei dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B handelt es sich um Metallseparatoren. Die konkave Nut, die konvexe Rippe und die Gas-Quernut sowohl auf dem ersten Separator 18A als auch dem zweiten Separator 18B werden alle durch Preßformen des Metallseparators ausgebildet. Die Gas-Quernut 18Ac ist so geformt, daß ihre Tiefe der Gesamthöhe der konvexen Rippe 18Ap entspricht, und die Gas-Quernut 18Ac ist so geformt, daß ihre Tiefe der Gesamthöhe der konvexen Rippe 18Bp entspricht.
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Vorzugsweise sollten die jeweiligen Formen und Abmessungen der konkaven Nut, der konkaven Rippe und der Gas-Quernut wie folgt festgelegt werden. Der Anteil der Kontaktfläche zwischen sämtlichen konvexen Rippen 18Ap und der MEA und der Anteil der Kontaktfläche zwischen sämtlichen. konvexen Rippen 18Bp und der MEA wird auf 20% bis 40% festgelegt, um durch Reduzieren des Kontaktwiderstands zwischen der Rippe und der Elektrode die Leistung sicherzustellen, und um eine ausreichend große Reaktionsfläche zu erhalten, in der das Gas mit der Elektrode in Berührung kommt. Der Grund dafür ist, daß der elektrische Kontaktwiderstandsverlust zu hoch wird, wenn der Anteil der Fläche, die mit der MEA in Berührung steht, unter 20% liegt, und wenn der Anteil über 40% liegt, kann das Gas nicht ausreichend in den Teil der Diffusionsschicht diffundieren, auf den die Rippe drückt, und daher verschlechtert sich die Stromerzeugungsleistung.
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Die Breite Wp jeder der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp ist auf 0,5 mm bis 1,5 mm festgelegt, damit das Gas effizient diffundieren kann. Der Grund dafür ist, daß bei einer Breite Wp von unter 0,5 mm die MEA nicht zwischen den einander gegenüberliegenden konvexen Rippen 18Ap, 18Bp angeordnet werden kann, falls die konvexen Rippen 18Ap, 18Bp versetzt zueinander angeordnet werden, und daß bei einer Breite Wp von über 1,5 mm das Gas nicht effizient in den Teil der Diffusionsschicht diffundieren kann, auf den die Rippe drückt. Jeder der Abstände P zwischen den Gas-Quernuten 18Ac und jeder der Abstände P zwischen den Gas-Quernuten 18Bc ist auf 2 mm bis 50 mm festgelegt. Der Grund dafür ist, daß bei einem Abstand P von unter 2 mm die Kontaktfläche mit der Diffusionsschicht in jeder der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp abnimmt und der Kontaktwiderstandsverlust steigt, und daß bei einem Abstand P von über 50 mm der Teil, in dem Gas nicht ungehindert strömen kann, zunimmt, falls Wasser erzeugt wird. Die Länge L jeder der Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc in Verlaufsrichtung der konvexen Rippe ist auf 0,5 mm bis 3 mm festgelegt. Der Grund dafür ist, daß bei einer Länge L von unter 0,5 mm die Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc vom Wasser blockiert werden und nicht ohne weiteres ein Umgehungskanal gebildet werden kann, und daß bei einer Länge L von über 3 mm der Teil der Diffusionsschicht, auf den keine der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp drückt, sehr lang wird, und dieser Teil der Diffusionsschicht durchbiegen kann, so daß er von der MEA getrennt wird.
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Die Breite Wg jeder der konkaven Nuten 18Ag, 18Bg ist auf 0,5 mm bis 3 mm festgelegt, damit das Gas wirksam diffundieren kann und um eine ausreichende Kontaktfläche zu erreichen, sowie mit Rücksicht auf die Unterstützung der Diffusionsschicht, die Elektronenleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit. Der Grund dafür ist, daß bei einer Breite Wg von unter 0,5 mm die Diffusion des Gases erschwert ist, und es schwierig wird, eine ausreichende Reaktionsfläche zu erhalten, und daß es bei einer Breite Wg von über 3 mm schwierig wird, die Diffusionsschicht zu unterstützen. Die Höhe jeder der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp wird mit Rücksicht auf die Strömungsrate des Gases, den Druckverlust, die Ableitung und die Prellformbarkeit auf 0,3 mm bis 0,6 mm festgelegt. Der Grund dafür ist, daß bei einer Höhe H von unter 0,3 mm der Druckverlust extrem hoch wird, und daß bei einer Höhe H von über 0,6 mm die Preßformbarkeit abnimmt, und der Stapel sehr lang wird.
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Nun werden die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Separatorkanalaufbaus für eine Brennstoffzelle beschrieben. Brenngas-Quernuten 18Ac werden auf jeder konvexen Rippe 18Ap des ersten Separators 18A gebildet, und Oxidations-Quernuten 18Bc werden auf jeder konvexen Rippe 18Bp des zweiten Separators 18B ausgebildet. Wenn daher ein Gaskanal 27 oder 28 aufgrund des Flutens in einem Teil der Separatoroberfläche blockiert wird, kann das Gas durch die Gas-Quernuten 18Ac oder 18Bc zum benachbarten Gaskanal 27 oder 28 strömen. So kann das Strömen des Gases sichergestellt werden, und es kann die Situation vermieden werden, daß im ganzen Gaskanal 27 oder 28, der aufgrund des Flutens blockiert ist, kein Strom erzeugt werden kann. Selbst wenn es in einem Teil des Gaskanals 27 oder 28 zu einem Fluten kommt, wird nur dieser Teil blockiert, und das Gas kann weiter ungehindert im Gaskanal 27, 28 strömen, abgesehen von dem durch Fluten blockierten Teil.
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Der gemeinsame Kältemittelkanal 26 weist außerdem eine Querschnittsfläche auf, die überall in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals 26 gleich oder größer ist als die des ersten Kältemittelkanals 26a, und die genauso überall gleich oder größer ist als die des zweiten Kältemittelkanals 26b. Daher wird der gemeinsame Kältemittelkanal 26 von den Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc nicht unterteilt, und das Kältemittel strömt weiter ungehindert im gemeinsamen Kältemittelkanal 26. Genauer gesagt sind die Brenngas-Quernut 18Ac des ersten Separators 18A und die Oxidationsgas-Quernut 18Bc des zweiten Separators 18B in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals versetzt zueinander angeordnet. Daher wird der Kältemittelkanal 26 von den Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc nicht unterteilt, und das Kältemittel kann ungehindert im Kältemittelkanal 26 strömen. Infolgedessen können das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kältemittel ungehindert strömen.
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Da die Brenngas-Quernut 18Ac des ersten Separators 18A und die Oxidationsgas-Quernut 18Bc des zweiten Separators 18B in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals 26 versetzt zueinander angeordnet sind, kann selbst dann, wenn der Kältemittelkanal 26a oder 26b entweder des ersten Separators 18A oder des zweiten Separators 18B von den Gas-Quernuten 18Ac oder 18Bc unterteilt wird, das Kältemittel ungehindert durch den Kältemittelkanal des anderen Separators strömen. Deshalb ist es weder notwendig, die Tiefe der Kältemittelkanäle des ersten Separators noch die des zweiten Separators zu erhöhen, und somit ist es weder notwendig, die Dicke des ersten Separators noch die des zweiten Separators zu erhöhen, um zu ermöglichen, daß das Kältemittel ungehindert strömt. Infolgedessen muß der Stapel 23 in Zellstapelrichtung nicht vergrößert werden, obwohl Gas-Quernuten bereitgestellt werden, und somit bleibt der Stapel 23 kompakt. Wenn die Gas-Quernut 18Ac und die Gas-Quernut 18Bc in Verlaufsrichtung des Kühlmittelkanals 26 einander gegenüber angeordnet werden, wie im Vergleichsbeispiel von 12 dargestellt (dieses Vergleichsbeispiel liegt nicht im Bereich der Erfindung), ist es notwendig, die Tiefe sowohl der Gas-Quernut 18Ac als auch der Gas-Quernut 18Bc zu verringern, damit ein Kältemittelkanal an der Rückseite der Nutbodens bleibt, so daß ein Strömen des Kältemittels ermöglicht wird. In diesem Fall ergibt sich jedoch das Problem, daß das Kältemittel zwischen den Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc nicht ungehindert strömen kann. Da der Kältemittelkanal eine großen Querschnittsfläche und eine kleine Querschnittsfläche aufweist, ergibt sich ein weiteres Problem, nämlich daß in dem Kältemittel leicht Blasen entstehen. In der Erfindung sind die Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals 26 versetzt zueinander angeordnet. Daher kommt es nicht zu den Problemen, die im Zusammenhang mit dem Vergleichsbeispiel genannt wurden.
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Wie in 4 dargestellt, sind die Brenngas-Quernuten 18Ac des ersten Separators 18A und die Oxidationsgas-Quernuten 18Bc des zweiten Separators 18B in Verlaufsrichtung des gemeinsamen Kältemittelkanals 26 abwechselnd angeordnet. Darüber hinaus ist die Brenngas-Quernut 18Ac im wesentlichen mittig zwischen den Oxidationsgas-Quernuten 18Bc zu beiden Seiten der Brenngas-Quernut 18Ac angeordnet, und die Oxidationsgas-Quernut 18Bc ist im wesentlichen mittig zwischen den Brenngas-Quernuten 18Ac zu beiden Seiten der Oxidationsgas-Quernut 18Bc angeordnet. Daher ist die Querschnittsfläche des Kältemittelkanals 26 in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals 26 im wesentlichen gleich gestaltet, und somit kann das Kältemittel ungehindert strömen. Da die Gas-Quernuten 18Ac auf dem ersten Separator 18A ausgebildet sind, die Gas-Quernuten 18Bc auf dem zweiten Separator 18B ausgebildet sind und die Gas-Quernuten 18Ac und die Gas-Quernuten 18Bc abwechselnd angeordnet sind, kann ermöglicht werden, daß sowohl das Gas als auch das Kühlmittel ungehindert strömt, selbst wenn es sich bei dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B um Metallseparatoren handelt.
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Die Gas-Quernut 18Ac ist so ausgebildet, daß sie eine Tiefe aufweist, die der Gesamthöhe der konvexen Rippe 18Ap entspricht, und die Gas-Quernut 18Bc ist so ausgebildet, daß sie eine Tiefe aufweist, die der Gesamthöhe der konvexen Rippe 18Bp entspricht. Außerdem ist die Gas-Quernut in keinem Teil eines Separators ausgebildet, welcher der Gas-Quernut eines anderen Separators entspricht, der sich mit dem einen Separator überschneidet. Daher kann die Querschnittsfläche des Kältemittelkanals 26 in Verlaufsrichtung des Kühlmittelkanals 26 im wesentlichen gleich gestaltet werden, und der Separator 18 kann in Zellstapelrichtung kompakt gestaltet werden. Falls die Gas-Quernuten der beiden Separatoren, die einander überschneiden, in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals einander gegenüber angeordnet würden, wäre es erforderlich, die Höhe der konkaven Rippe zu erhöhen, damit ein Kältemittelkanal auf der Rückseite des Gas-Quernutbodens bleibt. Falls die Höhe der konkaven Rippe erhöht würde, wäre es jedoch nicht möglich, den Separator 18 in Zellstapelrichtung kompakt zu gestalten, und die Länge des Stapels wäre erheblich.
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Sowohl der Anteil der Kontaktfläche zwischen sämtlichen konvexen Rippen 18Ap und der MEA, als auch der Anteil der Kontaktfläche zwischen sämtlichen konvexen Rippen 18Bp und der MEA sind auf 20% bis 40% festgelegt. Die Breite jeder der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp ist auf 0,5 mm bis 1,5 mm festgelegt. Der Abstand zwischen den Gas-Quernuten 18Ac und zwischen den Gas-Quernuten 18Bc ist auf 2 mm bis 50 mm festgelegt. Die Länge jeder der Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc in Verlaufsrichtung der konvexen Rippe ist auf 0,5 mm bis 3 mm festgelegt. Die Breite jeder der konkaven Gasnuten ist auf 0,5 mm bis 3 mm festgelegt. Die Höhe jeder der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp ist auf 0,3 mm bis 0,6 mm festgelegt. So kann eine Brennstoffzelle erhalten werden, in der das Gas und das Kältemittel ungehindert strömen, und die Dicke der Zelle und die Länge des Stapels gering sind.
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Die Leistung der Brennstoffzelle wurde durch Variieren der Form und der Abmessungen der Gas-Quernut und der konvexen Rippe bewertet. 10 ist eine Grafik, welche die Spannungs/Stromdichte-Verlaufskurven einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels zeigt. In der Ausführungsform der Erfindung werden die Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals 26 an verschiedenen Stellen bereitgestellt (siehe 4), die Tiefe jeder der Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc ist 0,5 mm, und die Höhe jeder der konvexen Rippen ist 0,5 mm. Im Vergleichsbeispiel sind die Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc in Verlaufsrichtung des Kältemittelkanals 26 an der gleichen Stelle angeordnet (siehe 12), die Tiefe jeder der Gas-Quernuten 18Ac, 18Bc ist 0,25 mm, und die Höhe jeder der konvexen Rippen ist 0,5 mm. Wie aus 10 hervorgeht, strömt in der Erfindung das Gas ungehindert, und der Spannungsabfall ist klein, selbst in einer Region mit hoher Stromdichte, wo eine große Menge Wasser erzeugt wird. In dem Vergleichsbeispiel wird das Strömen des Gases in einem Bereich hoher Stromdichte aufgrund eines Flutens gehemmt, und der Spannungsabfall ist groß.
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11 ist eine Grafik, welche die Verlaufskurve der Spannung/Stromdichte für den Fall zeigt, wo die konvexe Rippe durch Gas-Quernuten mit einem Abstand von 10 mm, Gas-Quernuten mit einem Abstand von 50 mm und Gas-Quernuten mit einem Abstand von 100 mm unterteilt wird, sowie für den Fall, wo die konvexe Rippe nicht von Gas-Quernuten unterteilt wird. Wie aus 11 hervorgeht, wird in dem Fall, wo die konkave Rippe durch die Gas-Quernuten gemäß der Erfindung unterteilt wird, verhindert, daß der Gasstrom im gesamten Gaskanal unterbrochen wird, selbst wenn ein Teil des Gaskanals aufgrund eines Flutens blockiert ist, und daher ist der Spannungsabfall gering. In dem Fall, wo die konkave Rippe gemäß dem Vergleichsbeispiel nicht unterteilt ist, wird der Gasstrom im ganzen Gaskanal unterbrochen, falls ein Teil des Gaskanals aufgrund eines Fluten blockiert ist, und daher ist der Spannungsabfall groß.
