DE102004007203B4

DE102004007203B4 - Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004007203B4
Application number: DE102004007203A
Authority: DE
Inventors: Seiji Toyota Mizuno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2024-02-14
Also published as: DE102004007203A1; CA2456731A1; JP2004247154A; CA2456731C; US7468217B2; US20040161658A1; JP3956864B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators (18) einer Brennstoffzelle (10);
wobei
in dem Separator (18) Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) ausgebildet werden, deren Querschnittsfläche sich in der Verlaufsrichtung der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) jeweils ändert,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf die Oberfläche der jeweiligen Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) eine Oberflächenbehandlungsschicht (40) mit einer sich in Längsrichtung derjeweiligen Gaskanalnut ändernden Dicke (t) aufgebracht wird, so dass sich die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) in der Verlaufsrichtung der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) ändert.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle. Genauer betrifft die Erfindung einen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran.
2. Einschlägiger Stand der Technik
Die Einheitszelle einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran besteht aus einem Stapelkörper, der durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und eines Separators gebildet wird. Die MEA umfaßt eine Elektrolytmembran, bei der es sich um eine Ionenaustauschmembran handelt, eine Elektrode (Anode, Kraftstoffelektrode), bestehend aus einer katalytischen Schicht, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran bereitgestellt ist, und eine weitere Elektrode (Kathode, Luftelektrode), bestehend aus einer anderen katalytischen Schicht, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran bereitgestellt ist. Eine Diffusionsschicht ist zwischen der MEA und dem Separator bereitgestellt. In dem Separator sind ein Kanal, um Brenngas (Wasserstoff) zur Anode zu liefern, ein Kanal, um Oxidationsgas (Sauerstoff) zur Kathode zu liefern, und ein Kanal, durch den ein Kältemittel (im allgemeinen Kühlwasser) strömt, ausgebildet. 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. einer Spannplatte), das außerhalb des Zellstapelkörpers bereitgestellt ist und sich in Zellstapelrichtung erstreckt, fixiert, wodurch ein Brennstoffzellenstapel 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, einem 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⁺ + 2_e ^–

Kathodenseite: 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O
Auf dem 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 Reaktionsgas, d. h. Brenngas oder Oxidationsgas, strömt. Die konvexe Rippe berührt die Diffusionsschicht und stellt einen leitfähigen Durchtritt dar. Da das Reaktionsgas von der Stromerzeugungsreaktion verbraucht wird, nehmen die Konzentration und der Partialdruck des Reaktionsgases in Stromabwärtsrichtung ab, und dann sinkt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Weiter besteht wegen des Wassers, das bei der Stromerzeugungsreaktion entsteht, die Gefahr, daß es aufgrund der Feuchtigkeit in der Diffusionsschicht und dem Gaskanal in Stromabwärtsrichtung zunehmend Blockierungen auftreten. Demgemäß ist es notwendig, zu verhindern, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases stromabwärts sinkt. Um diese Bedingung zu erfüllen, offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 11-016590 A einen Separatorkanalaufbau, mit dem durch Reduzieren der Nutbreite des Gaskanals oder durch Reduzieren der Nuttiefe die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases aufrechterhalten werden kann.
Mit dem herkömmlichen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle ergeben sich jedoch die folgenden Probleme.

1) Wenn die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern der Gaskanalbreite verändert wird, verändert sich auch die Breite der Kontaktfläche der Elektrode mit der konvexen Separatorrippe. Daher wird es unmöglich, die Homogenität der Reaktion über die ganze Zelle aufrechtzuerhalten.
2) Wenn die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern der Tiefe der Gaskanalnut verändert wird, ist es notwendig, die Dicke des Separators der Dicke des Abschnitts, in dem der Gaskanal in der gesamten Zelloberfläche am tiefsten ist, anzugleichen (und zwar weil bei einer Änderung der Separatordicke senkrecht zur Zellstapelrichtung der Stapel krumm wird, wenn die Zellen gestapelt werden. Darum muß die Dicke des Separators konstant bleiben). Daher nimmt die Dicke des Separators an sich zu, und der Stapel wird insgesamt länger. Insbesondere ist im Fall eines Metall-separators die Nuttiefe aufgrund der Druckbeschränkungen begrenzt. Wenn somit die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern der Tiefe der Gaskanalnut verändert werden soll, ist dies nur bis zu einem bestimmten Grad möglich.

Die DE 101 27 322 A1 offenbart ferner eine für eine Brennstoffzelle bestimmte Platte. Die Platte besteht dabei vorzugsweise Kohlenstoffmaterial oder einem Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff. Auf zumindest einer Seite der Platte sind parallel zueinander und mäanderförmig verlaufende Kanäle mit Fluideinlaß- und -auslaß ausgebildet, die durch Trennwände voneinander getrennt sind. Damit die durch die Kanäle strömenden Fluide keine wesentlichen Druckverluste erfahren, ist der Kanal in seinem Querschnitt derart ausgebildet, daß fluideinlaßseitig ein größerer Strömungswiderstand herrscht als fluidauslaßseitig.
Aus der DE 29 27 682 C2 ist ferner eine elektrochemische Brennstoffzelle bekannt, die eine Trennplatte mit einem gewellten dünnen Blechteil, aufweist. Das Blechteil begrenzt dabei die zur Elektrode hin offenen Strömungswege und bildet alternierend Strömungswege für die Aufnahme des Verfahrensgases, das der Wärmeregulierung dient.
Die EP 0 415 733 B1 offenbart zudem eine Brennstoffzelle mit einer Fluidströmungsfeldplatte, die eine Mehrzahl von kontinuierlichen Strömungskanälen aufweist, wobei jeder Kanal eine größere zentrale Fläche der Oberfläche einer Mehrzahl von Durchgängen durchsetzt und einen Fluidauslaß an einem Ende aufweist, der direkt mit einer Fluideinspeiseöffnung verbunden ist, sowie einen Fluidauslaß an einem anderen Ende aufweist, der mit der Fluidaustragsöffnung verbunden ist.
Ein weiterer Separator für eine Brennstoffzelle mit trapezoid ausgebildeten Rillen ist schließlich aus der JP 2001-043870 A bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, der die Homogenität der Reaktion in der gesamten Zelle aufrechterhalten kann, und der es überflüssig macht, die Dicke des Separators zu erhöhen.
Ein Aspekt der Erfindung für das Lösen der genannten Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle, die einen Separator enthält, in dem eine Gaskanalnut ausgebildet ist.
Die Querschnittsfläche des Gaskanals ändert sich in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut, während die Öffnungsbreite der Gaskanalnut und die Tiefe der Gaskanalnut im wesentlichen konstant bleiben.
In der Brennstoffzelle gemaß dem oben genannten Aspekt ändert sich die Querschnittsfläche des Gaskanals, während die Öffnungsbreite der Gaskanalnut konstant bleibt. Demgemäß bleibt die Breite der Oberseite einer konvexen Rippe in Verlaufsrichtung des Gaskanals konstant, und die Breite der Kontaktfläche einer Elektrode und die konvexe Rippe des Separators verändert sich nicht. Infolgedessen bleibt die Homogenität der Reaktion über die ganze Zelle erhalten. Weiter wird die Querschnittsfläche des Gaskanals verändert, während die Tiefe des Gaskanals eines Separatorbodenmaterials konstant bleibt. Daher werden, anders als in dem Fall, wo eine Änderung der Tiefe der Gaskanalnut vorliegt, die Dicke des Separators und die Länge des Stapels nicht erhöht, selbst wenn die Tiefe der Gaskanalnut erhöht wird. Die Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt kann auf einen Separator angewendet werden, der aus einem Kohlenstoffseparator besteht, und auf einen Separator 18, der aus einer Kombination aus Metallseparator und Harzrahmen besteht.
Die Querschnittsfläche des Gaskanals kann so verändert werden, daß die Querschnittsfläche des Gaskanals stromabwärts mit Bezug auf die Richtung des Gasstroms (im folgenden als „Gasströmungsrichtung" bezeichnet") kleiner wird als die Querschnittsfläche des Gaskanals stromaufwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung. So kann eine hohe Geschwindigkeit des Gasstroms stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung aufrechterhalten werden. Durch Ablassen des erzeugten Wassers stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung kann das Gas in die Diffusionsschicht diffundieren, und die Zelleistung kann aufrechterhalten werden. Die Querschnittsfläche des Gaskanals kann allmählich oder schrittweise verkleinert werden.
Weiter kann die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern des Neigungswinkels der Gaskanalnut-Seitenfläche verändert werden. So kann die Querschnittsfläche des Gaskanals verändert werden, während sowohl die Öffnungsbreite der Gaskanalnut als auch die Tiefe der Gaskanalnut des Separatorbodenmaterials in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut im wesentlichen konstant bleiben. Weiter kann der Neigungswinkel der Gaskanalnut-Seitenfläche stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung größer sein als der Neigungswinkel der Gaskanalnut-Seitenfläche stromaufwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung.
Außerdem kann die Gaskanalnut einen Krümmungsabschnitt aufweisen, bei dem es sich um einen gekrümmten Übergangsbereich zwischen der Seitenfläche und der Bodenfläche handelt, und die Querschnittsfläche des Gaskanals kann durch Ändern des Krümmungsradius mindestens eines Krümmungsabschnitts verändert werden. So wird die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern des Krümmungsradius R des gekrümmten Wurzelabschnitts der konvexen Rippe, die zu beiden Seiten der Gaskanalnut angeordnet ist, verändert. Daher kann die Querschnittsfläche des Gaskanals verändert werden, während sowohl die Öffnungsbreite der Gaskanalnut als auch die Tiefe der Gaskanalnut des Separatormaterials in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut im wesent lichen konstant bleibt. Weiter kann der Krümmungsradius des Gaskanalnut-Krümmungsabschnitts stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung größer sein als der Krümmungsradius des Gaskanalnut-Krümmungsabschnitts stromaufwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung.
Weiter kann die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern der Breite der Gaskanalnut-Bodenfläche verändert werden. Ebenso kann die Gaskanalnut-Bodenfläche stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung schmäler sein als die Bodenfläche der Gaskanalnut stromaufwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung.
Eine Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält einen Metallseparator, auf dem eine Gaskanalnut ausgebildet ist, und die Querschnittsfläche des Gaskanals verändert sich in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut.
Mit der Brennstoffzelle gemäß dem genannten Aspekt kann die Querschnittsfläche des Gaskanals verändert werden, während sowohl die Öffnungsbreite der Gaskanalnut als auch die Tiefe der Gaskanalnut eines Separatorbodenmaterials im wesentlichen konstant bleiben. Die Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt kann verwirklicht werden, wenn ein Separator 18 durch Kombinieren eines Metallseparators und eines Harzrahmens ausgebildet wird.
Die Querschnittsfläche des Gaskanals kann durch Ändern der Dicke einer Oberflächen-Behandlungsschicht auf der Gaskanalnut verändert werden. So kann die Querschnittsfläche des Gaskanals verändert werden, während sowohl die Öffnungsbreite der Gaskanalnut als auch die Tiefe der Gaskanalnut des Separatormaterials in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut im wesentlichen konstant bleiben. Außerdem kann die Oberflächen-Behandlungschicht auf der Gaskanalnut stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung dicker sein als die Oberflächen-Behandlungsschicht der Gaskanalnut stromaufwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist die schematische Darstellung einer ganzen Brennstoffzelle, auf welche die Erfindung angewendet wurde, wobei die Zellstapelrichtung der Vertikalen entspricht;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Elektrolytmembranelektroden-Anordnung der Brennstoffzelle von 1;
3 ist eine Draufsicht auf einen Separator, auf den der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle angewandt wurde:
4 ist die Schnittansicht eines Teils einer Einheitszelle, auf die der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau für eine Brennstoffzelle von 3 angewendet wurde;
5 ist eine Schnittansicht des Separatorkanalaufbaus für die Brennstoffzelle von
4;
6A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines stromaufwärts gelegenen Teils des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Separatorkanalaufbaus von 3;
6B ist eine vergrößerte Schnittansicht eines im mittleren Abschnitt gelegenen Teils des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Separatorkanalaufbaus von 3; und 6C ist eine vergrößerte Schnittansicht eines stromabwärts gelegenen Teils des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Separatorkanalaufbaus von 3;
7 ist eine Draufsicht auf den Harzrahmen des Separators der Brennstoffzelle, auf welche die Erfindung angewendet wird;
8 ist eine Schnittansicht von 7;
9 ist eine Schnittansicht von 7; und
10 ist eine Darstellung der Spannung/Strom-Verlaufskurven (1) einer Ausführungsform der Erfindung, worin die Querschnittsfläche des Gaskanals sich allmählich verändert, und (b) eines Vergleichsbeispiels, in dem die Querschnittsfläche des Gaskanals konstant bleibt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Separatorkanalaufbau einer Brennstoffzelle mit Bezug auf 1 bis 10 beschrieben. 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.
Eine Einheitszelle 19 der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle wird durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und eines Separators 18 gebildet, wie in 1 bis 10 dargestellt. Wie in 2 dargestellt, umfaßt die MEA eine Elektrolytmembran 11, bei der es sich um eine Ionenaustauschmembran handelt, eine Elektrode 14 (Anode, Brennstoffelektrode), bestehend aus einer katalytischen Schicht 12, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 11 bereitgestellt ist, und eine Elektrode 17 (Kathode, Luftelektrode), bestehend aus einer katalytischen Schicht 15 auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 11 bereitgestellt ist. Eine Diffusionsschicht 13 ist zwischen der Elektrode 14 und dem Separator 18 vorgesehen. Eine Diffusionsschicht 16 ist zwischen der Elektrode 17 und dem Separator 18 vorgesehen. Wie in 3 bis 9 dargestellt, sind auf dem Separator 18 ein Reaktionsgaskanal 27 für die Lieferung von Brenngas (d. h. Wasserstoff) zur Elektrode 14, ein Reaktionsgaskanal 28 für die Lieferung von Oxidationsgas (Sauerstoff, im allgemeinen Luft) zur Elektrode 17, sowie ein Kältemittelkanal 26 (d. h. ein „Kühlmittelkanal") für die Kühlung der Brennstoffzelle 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 bereitgestellt ist (z. B. eine Spannplatte oder ein durchgehender Bolzen), und das in Zellstapelrichtung verlauft, und eines Bolzens 25 oder einer Bolzenmutter befestigt, wodurch ein Brennstoffzellstapel 23 gebildet wird.
Die Katalysatorschichten 12, 15 bestehen aus Platin (Pt), Kohlenstoff (C) und einem Elektrolyten. Die Diffusionsschichten 13, 16 bestehen aus Kohlenstoff (C). Der Separator 18 besteht aus einem Kohlenstoffseparator oder einem Separator, der, der durch Kombinieren eines Metallseparators mit einem Harzrahmen gebildet wird.
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 einen hohlen Abschnitt auf, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle entspricht (im folgenden als „Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt" bezeichnet). Der erste Separator 18A und der erste Harzrahmen 18C sind auf der Brennstoffelektroden-Seite der MEA bereitgestellt. Der erste Separator 18A trennt das Brenngas vom Kühlmittel. Der zweite Separator 18B und der zweite Harzrahmen 18D sind auf der Lufteelektroden-Seite der MEA bereitgestellt. 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).
Die MEA (wenn Diffusionsschichten 13, 16 vorgesehen sind, die MEA und die Diffusionsschichten 13, 16) liegt zwischen den Separatoren 18. Wenn die MEA zwischen den Separatoren 18 liegt, ist der Harzrahmen 18C an der MEA-Seite des Metallseparators 18A bereitgestellt, und der Harzrahmen 18D ist an der MEA-Seite des Metallseparators 18B bereitgestellt. 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 einen hohlen Abschnitt 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.
Wie in 3 bis 6 dargestellt, sind in der Einheitszelle 19 auf dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B durch Preßformen konkave und konvexe Abschnitte (konkave Nuten und konvexe Rippen) ausgebildet. Ein 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 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 28 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 serpentinenartige Kanäle vorgesehen sein.
Wie in 3 dargestellt, sind, wenn es sich bei dem Reaktionsgaskanal um einen geraden Kanal handelt, im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 des Separators 18 an gegenüberliegenden Seiten des Abschnitts 29 ein Brenngaseinlaß in den Brenngaskanal 27 und ein Brenngasauslaß aus dem Brenngaskanal 27 vorgesehen. Ebenso ist ein Oxidationsgaseinlaß in den Oxidationsgaskanal 28 und ein Oxidationsgasauslaß aus dem Oxidationsgaskanal 28 im Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitt 29 des Separators 18 an gegenüberliegenden Seiten Abschnitts 29 bereitgestellt.
Wie in 3 und 7 dargestellt, ist ein Sammelabschnitt in jedem der einander gegenüberliegenden Abschnitte 30, 31, die einander zu beiden Seiten des Energieerzeugungs-Entsprechungsabschnitts 29 in jedem der Metallseparatoren 18A, 18B und der Harzrahmen 18B, 18D gegenüberliegen, ausgebildet. Im Sammelabschnitt sind ein Kältemittel-Sammelabschnitt 32, ein Brenngas-Sammelabschnitt 33 und ein Oxidationsgas-Sammelabschnitt 34 ausgebildet. In dem einen der gegenüberliegenden Abschnitte, Abschnitt 31, sind ein einlaßseitiges Kältemittel-Sammelrohr 32a, ein auslaßseitiges Brenngas-Sammelrohr 33b und ein auslaßseitiges Oxidationsgas-Sammelrohr 34b bereitgestellt. Im anderen der gegenüberliegenden Abschnitte, Abschnitt 30, sind ein auslaßseitiges Kältemittel-Sammelrohr 32b, ein einlaßseitiges Brenngas-Sammelrohr 33a und ein einlaßseitiges Oxidationsgas-Sammelrohr 34a bereitgestellt.
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 in orthogonaler Richtung zu einer Linie, welche die einander gegenüberliegenden Abschnitte 30, 31 verbindet, zwischen dem Gaskanalabschnitt und dem Sammelrohrabschnitt gleichmäßig strömt. 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 in ihm strömende Gas vom Gaskanalabschnitt konzentriert wird und in das Gassammelrohr strömt.
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 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 durch die Bereitstellung einer Abdichtung zwischen benachbarten Bauteilen (dem Metallseparator oder dem Harzrahmen) in Zellstapelrichtung eine Abdichtung zwischen dem Kältemittel-Sammelrohr 32, dem Brenngas-Sammelrohr 33 und dem Oxidationsgas-Sammelrohr 34 bereitzustellen, wie in 7, 8 und 9 dargestellt.
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 an einer Seite der MEA bereitgestellt ist, konkave Nuten 18Ag und konvexe Rippen 18Ap. Die konkaven Nuten 18Ag stellen den Brenngaskanal 27 dar. Die konkaven Nuten 18Ag und die konvexen Rippen 18Ap sind abwechselnd ausgebildet. Der zweite Separator 18B, der an der anderen Seite der MEA bereitgestellt ist, umfaßt konkave Nuten 18Bg und konvexe Rippen 18Bg. Die konkaven Nuten 18Bg stellen einen Oxidationsgaskanal 28 dar. Die konkaven Nuten 18Bg und die konvexen Rippen 18Bp sind abwechselnd ausgebildet. Die konkaven Nuten 18Ag und 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. Im Fall eines Metallseparators stellen die Rückseiten der konvexen Rippen 18Ap einen ersten Kältemittelkanal 26a dar, und die Rückseiten der konvexen Rippen 18Bp stellen einen zweiten Kältemittelkanal 26b dar.
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.
Auf jeder konvexen Rippe 18Ap des ersten Separators 18A sind erste Gas-Quernuten 18Ac ausgebildet. Auf jeder konvexen Rippe 18Bp des zweiten Separators 18B sind zweite Gas-Quernuten 18Bc ausgebildet. Jede der Brenngas-Quernuten 18Ac stellt eine Verbindung zwischen den konkaven Nuten 18Ag her, die zu beiden Seiten der konvexen Rippe 18Ap einen Brenngaskanal 27 darstellen. Jede der Oxidationsgas-Quernuten 18Bc stellt eine Verbindung zwischen den konkaven Nuten 18Bg her, die zu beiden Seiten der konvexen Rippe 18Bp einen Oxidationsgaskanal 28 darstellen. 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.
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 26 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. Ebenso ist die Oxidationsgas-Quernut 18Bc im wesentlichen mittig zwischen den Brenngas-Quernuten 18Ac zu beiden Seiten der Oxidationsgas-Quernut 18Bc angeordnet.
Wenn es sich bei dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B um Metallseparatoren handelt, ist die Gasquernut 18C so ausgebildet, daß ihre Tiefe der Gesamthöhe der konvexen Rippe Ap entspricht, und die Gasquernut 18Bc ist so aus gebildet, daß ihre Tiefe der Gesamthöhe der konvexen Rippe 18Bp entspricht. Wenn es sich bei dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B um Metallseparatoren handelt, werden die konkave Nut, die konvexe Rippe und die Gasquernut sowohl auf dem ersten Separator 18A als auch dem zweiten Separator 18B durch Preßformen eines Metallblechs ausgebildet.
Wie in 6 dargestellt, bleiben im Separatorkanalaufbau, in dem eine Gaskanalnut 18Ag auf dem ersten Separator 18A ausgebildet ist, und eine Gaskanalnut 18Bg auf dem zweiten Separator 18B ausgebildet ist, sowohl die Öffnungsbreite W jeder der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg sowie die Gaskanalnut-Tiefe h des Separatorgrundmaterials in Verlaufsrichtung der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg im wesentlichen konstant. Weiter ändert sich die Querschnittsfläche des Gaskanals (die Fläche, die in 6 von einer gestrichelten Linie umgeben ist), in Verlaufsrichtung der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg.
Die Querschnittsfläche des Gaskanals wird so verändert, daß die Querschnittsfläche des Gaskanals stromabwärts mit Bezug auf die Richtung des Gasstroms kleiner wird als die Querschnittsfläche des Gaskanals auf der Stromaufwärtsseite. Beispielsweise zeigt 3 den Fall, wo Oxidationsgas (Luft) in der Figur von rechts nach links strömt. Was den Oxidationsgaskanal 28 betrifft, nimmt die Querschnittsfläche des Gaskanals in 3 von rechts nach links ab. Was den Brenngaskanal 27 betrifft, so nimmt die Querschnittsfläche von der Stromaufwärtsseite zur Stromabwärtsseite ab. Die Querschnittsfläche des Gaskanals kann sich allmählich verändern, kann sich schrittweise verändern oder kann sich sowohl allmählich als auch schrittweise verändern. 6 zeigt die Querschnittsflächen der Abschnitte 6A, 6B und 6C von 3. Der Abschnitt 6A liegt mit Bezug auf die Richtung des Reaktionsgasstroms auf der Stromaufwärtsseite, der Abschnitt 6B liegt mit Bezug auf die Richtung des Reaktionsgasstroms in der Mitte, und der Abschnitt 6C liegt mit Bezug auf die Richtung des Reaktionsgasstroms auf der Stromabwärtsseite. In 6 ist die Beziehung zwischen den Querschnittsflächen der Abschnitte 6A, 6B und 6C wie folgt. (Querschnittsfläche des Gaskanals im Abschnitt 6A) ≥ (Querschnittsfläche des Gaskanals im Abschnitt 6B) ≥ (Querschnittsfläche des Gaskanals im Abschnitt 6C) Die Querschnittsfläche des Gaskanals im Abschnitt 6A ist jedoch nicht gleich der Querschnittsfläche des Gaskanals im Abschnitt 6C.
Wie in 6 dargestellt, kann die Querschnittsfläche jedes Gaskanals (die Querschnittsfläche jedes der Kanäle 27, 28) durch Ändern des Neigungswinkels der Seitenfläche der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg verändert werden. In diesem Fall ändert sich der Konuswinkel θ der Seitenfläche der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg bezüglich der Normalen der Nutbodenfläche in Stromabwärtsrichtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases. Da die Öffnungsbreite W der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg konstant bleibt, nimmt die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg ab, wenn der Neigungswinkel θ der Seitenfläche jeder der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg zunimmt.
Wie in 6 dargestellt, kann die Querschnittsfläche, jedes Gaskanals (die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28) durch Ändern des Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichs (des Krümmungsradius der Kurve des Übergangsbereichs von der Seitenfläche zur Bodenfläche der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg) der konvexen Rippen 18Ap oder 18Bp, die zu beiden Seiten der Gaskanalnuten 18Ag oder 18Bg angeordnet sind, verändert werden. In diesem Fall nimmt der jeweilige Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichs der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp stromabwärts mit Bezug auf die Richtung des Gasstroms zu. Wenn der Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichs der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp zunimmt, nimmt die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten ab. Wie in 6 dargestellt, kann die Querschnittsfläche jedes Gaskanals (die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28) in Kombination mit der Änderung des Neigungswinkels der Seitenflächen der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg und der Änderung des Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichsder konvexen Rippen 18Ap, 18Bp, die zu beiden Seiten der Gaskanalnut 18Ag oder 18Bg angeordnet sind, verändert werden.
Das Verfahren, bei dem die Querschnittsfläche jedes Gaskanals (die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28) durch Ändern des Neigungswinkels der Nutseiten fläche und/oder durch Ändern des Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichs der Rippe verändert wird, kann unabhängig davon übernommen werden, ob es sich bei dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B um Kohlenstoffseparatoren oder um Metallseparatoren handelt.
Wenn es sich bei dem ersten Separator 18A und dem zweiten Separator 18B um Metallseparatoren handelt, kann die Querschnittsfläche jedes Gaskanals (die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28) durch Ändern der Dicke t einer Oberflächen-Behandlungsschicht 40, welche auf jede der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg aufgebracht wird, verändert werden. Im Fall eines Metallseparators wird eine Gold-, Platin- oder Halbleiter-(IrO₂-)Beschichtung auf die Oberseite der konvexen Rippe aufgetragen, um den elektrischen Kontaktwiderstand des Basismaterials (beispielsweise handelt es sich bei dem Material um Edelstahl) gegenüber den Diffusionsschichten 13, 16 zu reduzieren, weiter wird eine Kohlenstoffschicht aufgebracht, um die Elution des Ions zu unterdrücken, und weiter wird eine leitfähige Harzschicht über der Kohlenstoffschicht aufgebracht. Auf der Oberfläche der konkaven Nut wird als Oberflächenbehandlungsschicht eine Beschichtung aus Epoxidharz oder Gummi ausgebildet, um die Korrosion zu unterdrücken, da die Oberfläche der konkaven Nut nicht leitfähig sein muß. In diesem Fall kann die Dicke t der Schicht durch mehrfaches Ausbilden von Oberflächen-Behandlungsschichten und durch Ändern der Anzahl der Schichten verändert werden. Wenn beispielsweise eine Schicht, deren Dicke 5 μm beträgt, 8-mal aufgebracht wird, beträgt die Gesamtdicke der Schicht 40 μm. Wenn eine Beschichtung, deren Dicke 5 μm beträgt, 16-mal aufgebracht wird, beträgt die Gesamtdicke der Schicht 80 μm. Wenn die Dicke t der Oberflächenbehandlungsschicht 40, die auf jeder der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg ausgebildet wird, durch Erhöhen der Anzahl der Schichtaufträge von der Stromaufwärts- zur Stromabwärtsseite stromabwärts mit Bezug auf die Richtung des Gasstroms erhöht wird, nimmt die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg zur Stromabwärtsseite hin ab.
Wie in 6 dargestellt, kann die Querschnittsfläche jedes Gaskanals (die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28) durch Kombinieren der Änderung des Neigungswinkels der Seitenfläche der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg, der Änderung des Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichs der Rippe der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp, die zu beiden Seiten der Gaskanalnut 18Ag oder 18Bg angeordnet sind, und Änderung der Dicke t der Oberflächenbehandlungsschicht 40, die zu beiden Seiten der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg bereitgestellt ist, verändert werden.
Nun werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Separatorkanalaufbaus für die Brennstoffzelle beschrieben. Eine Brenngas-Quernut 18Ac ist auf der konvexen Rippe 18Ap des ersten Separators 18A ausgebildet, und eine Oxidationsgas-Quernut ist auf der konvexen Rippe des zweiten Separators 18B ausgebildet. Auch wenn es zu einem lokalen Fluten auf der Zelloberfläche kommt und ein Gaskanal 27 blockiert wird, kann das Gas daher durch die Gasquernut 18Ac zum benachbarten Gaskanal 27 strömen. Selbst wenn es auf der Zelloberfläche zu einem lokalen Fluten kommt und ein Gaskanal 18Bc blockiert wird, kann das Gas durch die Gasquernut 18Bc zum benachbarten Gaskanal 28 strömen. Somit kann das Strömen des Gases sichergestellt werden. Infolgedessen besteht keine Gefahr, daß nirgendwo in einem Gaskanal 27 oder 28, der durch Fluten blockiert ist, Energie erzeugt werden kann. Selbst wenn es zu einem Fluten kommt, wird nur ein Teil des Gaskanals 27 oder 28 blockiert, und das Gas kann ungehindert durch den Gaskanal 27 oder 28 strömen, abgesehen von dem Teil, der aufgrund des Flutens blockiert ist.
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. Infolgedessen kann das Kältemittel ungehindert im gemeinsamen Kältemittelkanal 26 strömen. 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. Daher kann das Kältemittel ungehindert im Kältemittelkanal 26 strömen. Infolgedessen können das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kältemittel ungehindert strömen.
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 26 versetzt zueinander angeordnet. Daher 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 auf dem anderen Separator strömen, der nicht abgeteilt ist. Deshalb ist es nicht notwendig, den Kältemittelkanal des ersten und des zweiten Separators zu vertiefen, d. h. es nicht notwendig, den ersten und zweiten Separator dicker zu gestalten, um ein ungehindertes Strömen des Kältemittels aufrechtzuerhalten. Daher ist es trotz der Bereitstellung von Gas-Quernuten nicht notwendig, den Stapel 23 in Zellstapelrichtung zu vergrößern, und daraus folgt, daß der Stapel 23 kompakt gehalten werden kann.
Weiter wird die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28 verändert, während die Öffnungsbreite W jeder der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg konstant bleibt. Daher bleibt die Breite der Oberseite jeder der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp in Verlaufsrichtung der Gaskanäle 27, 28 konstant, die Breite der Kontaktfläche der Elektrodendiffusionsschicht 13 mit den konvexen Separatorrippen 18Ab und die Breite der Kontaktfläche der Elektrodendiffusionsschicht 16 mit den konvexen Separatorrippen 18Bp ändern sich nicht, und die Homogenität der Reaktion und die Homogenität der Energieerzeugung im Inneren der Zelle werden beibehalten. Weiter wird die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28 verändert, während die Tiefe H der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg des Separatorbodenmaterials (der Abschnitt, der keine Oberflächenbehandlungsschicht 40 aufweist, wird „Bodenmaterial" genannt) konstant bleibt. Daher is es, anders als in dem Fall, wo die Tiefe der Gaskanalnut verändert wird, nicht notwendig, die Dicke des Separators und die Länge des Stapels entsprechend der Zunahme der Gaskanalnut-Tiefe zu erhöhen. Somit ist es nicht notwendig, die Dicke des Separators 18, die Dicke der Zelle 19 und die Länge des Stapels 23 in Zellstapelrichtung zu erhöhen. Infolgedessen kann der Stapel kompakt gehalten werden.
Die Querschnittsfläche jedes Gaskanals 27, 28 wird so verändert, daß die Querschnittsfläche des Gaskanals stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung kleiner wird als die Querschnittsfläche des Gaskanals auf der Stromaufwärtsseite. Daher bleibt die Geschwindigkeit des Gasstroms stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung hoch. Durch Ablassen des erzeugten Wassers stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung kann das Gas wirksam in die Diffusionsschichten 13, 16 diffundieren, und die Zellenleistung und die Energieerzeugungsleistung können auch stromabwärts mit Bezug auf die Gasströmungsrichtung wirksam aufrechterhalten werden.
Wenn die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern des Neigungswinkels θ der Seitenflächen der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg verändert wird, kann die Querschnittsfläche jedes der Gaskanäle 27, 28 verändert werden, während die Öffnungsbreite W der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg und die Nuttiefe H der Gaskanäle des Separatormaterials im wesentlichen konstant bleiben. Ebenso kann, wenn die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern der Krümmungsradius R des Rippenwurzelbereichs der konvexen Rippen 18Ap, 18Bp, die zu beiden Seiten der Gaskanalnut 18Ag oder 18Bg angeordnet sind, geändert wird, die Querschnittsfläche der Gaskanäle 27, 28 verändert werden, während die Öffnungsbreite W der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg und die Gaskanalnut-Tiefe H des Separatormaterials im wesentlichen konstant bleiben.
Wenn die Querschnittsfläche des Gaskanals durch Ändern der Dicke t der Oberflächenbehandlungsschicht 40, die auf jeder der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg bereitgestellt ist, verändert wird, kann die Kanal-Querschnittsfläche der Gaskanäle 27, 28 verändert werden, während die Öffnungsbreite W der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg und die Tiefe h der Gaskanalnuten des Separatormaterials im wesentlichen konstant bleiben.
Das Ergebnis der Bewertung der Brennstoffzellenleistung entsprechend der Änderung der Gaskanal-Querschnittsfläche ist in 10 dargestellt. 10 zeigt die Verlaufskurven der Spannung/Stromdichte in (1) einer Brennstoffzelle, welche einen Separator gemäß dieser Ausführungsform umfaßt, und (2) eines Vergleichsbeispiels. In (1) der Brennstoffzelle, die den Separator gemäß dieser Ausführungsform enthält, wird eine Edelstahlplatte als Metallgrundmaterial verwendet, und die Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg werden von konkaven Nuten und konvexen Rippen gebildet. In diesem Fall beträgt die Tiefe des Kanals 0,5 mm, und der Abstand beträgt 2 mm. Weiter ändert sich der Neigungswinkel θ der Seitenflächen der Gaskanalnuten 18Ag, 18Bg von der Strom aufwärtsseite zur Stromabwärtsseite allmählich von 5° bis 20°. In (2), dem Vergleichsbeispiel, beträgt die Tiefe des Kanals 0,5 mm, und der Abstand 2 mm, und die Querschnittsfläche des Gaskanals bleibt konstant. Wie in 10 dargestellt, strömt (1) in der Brennstoffzelle, welche den Separator gemäß dieser Ausführungsform enthält, selbst in einem Bereich hoher Stromdichte, wo eine große Menge an Wasser erzeugt wird, das Gas ungehindert, und die Spannungsabnahme ist gering. In (2) dem Vergleichsbeispiel wird in einem Bereich hoher Stromdichte der Gasstrom jedoch aufgrund eines Flutens unterbrochen, und die Spannungsabnahme ist groß.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators (18) einer Brennstoffzelle (10); wobei in dem Separator (18) Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) ausgebildet werden, deren Querschnittsfläche sich in der Verlaufsrichtung der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) jeweils ändert, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der jeweiligen Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) eine Oberflächenbehandlungsschicht (40) mit einer sich in Längsrichtung derjeweiligen Gaskanalnut ändernden Dicke (t) aufgebracht wird, so dass sich die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) in der Verlaufsrichtung der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) ändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) so verändert wird, daß die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) an der Stromabwärtsseite kleiner wird als die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) an der Stromaufwärtsseite.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg). in Gas strömungsrichtung kontinuierlich abnehmend ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) in Gasströmungsrichtung schrittweise abnehmend ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (θ) der Seitenfläche der Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) auf der Stromabwärtsseite größer ausgebildet wird als der Neigungswinkel der Seitenfläche der. Gaskanalnuten (18Ag, 18Bg) auf der Stromaufwärtsseite.
Brennstoffzelle (10), umfassend einen Separator (18), in dem eine Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) ausgebildet ist, deren Querschnittsfläche sich in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) ändert dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) einen Krümmungsabschnitt umfaßt, bei dem es sich um einen gekrümmten Übergangsbereich zwischen der Seitenfläche der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) und der Bodenfläche der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) handelt, und daß die Querschnittsfläche der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) durch Ändern des Krümmungsradius (R) mindestens eines Krümmungsabschnitts geändert ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) des Krümmungsabschnitts der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) auf der Stromabwärtsseite größer ist als der Krümmungsradius des Krümmungsabschnitts der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) an der Stromaufwärtsseite.
Brennstoffzelle (10), umfassend einen Metallseparator (18), in dem eine Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) ausgebildet ist, deren Querschnittsfläche sich in Verlaufsrichtung der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) durch Ändern einer Dicke (t) der Oberflächenbehandlungsschicht (40) der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) verändert ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t) der Oberflächenbehandlungsschicht (40) der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) auf der Stromabwärtsseite größer ist als die Dicke der Oberflächenbehandlungsschicht der Gaskanalnut (18Ag, 18Bg) auf der Stromaufwärtsseite.