DE102004032907B4

DE102004032907B4 - Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004032907B4
Application number: DE102004032907A
Authority: DE
Inventors: Toshiya Wako Wakahoi; Narutoshi Wako Sugita; Shuhei Wako Goto; Takeo Wako Abe; Hiroyuki Wako Shirokawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: JP4384485B2; JP2005044774A; US20050048342A1; US7309542B2; DE102004032907A1

Abstract

Membranelektrodenanordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle (10), wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) umfasst:
eine erste Elektrode (28),
eine zweite Elektrode (30), und
eine Festpolymerelektrolytmembran (26), die zwischen der ersten Elektrode (28) und der zweiten Elektrode (30) angeordnet ist,
wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) insgesamt eine rechteckige Form und wenigstens eine sich nach außen erstreckende und zu einem Pufferabschnitt (34, 36, 68, 70) für im Einbauzustand an der Membranelektrodenanordnung entlang strömendes Reaktanzgas hin vorstehende Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine der Elektroden (28, 30) eine gesamte Fläche der Festpolymerelektrolytmembran (26) abdeckt und
dass die Membranelektrodenanordnung insgesamt vier Erweiterungen (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) aufweist, die jeweils an einer Ecke der Membranelektrodenanordnung (12; 80) angeordnet sind
wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) eine um ihre Zentralachse drehsymmetrische Form aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sowie eine Festpolymerelektrolytmembran, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit der Membranelektrodenanordnung.
Beschreibung des Stands der Technik:
Zum Beispiel setzt eine Festpolymer-Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA) ein, die eine Anode und eine Kathode umfasst, sowie eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolytmembran. Die Elektrolytmembran ist eine Polymerionenaustauschmembran (Protonenaustauschmembran). Sowohl die Anode als auch die Kathode ist aus einem Elektrodenkatalysator und porösem Kohlenstoff hergestellt. Die Membranelektrodenanordnung und Separatoren (bipolare Platten), welche die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen, bilden eine Einheit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität. Eine vorbestimmte Anzahl der Brennstoffzellen wird zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
In der Brennstoffzelle wird ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes Gas (Wasserstoff enthaltendes Gas) der Anode als Reaktanzgas zugeführt. Der Katalysator der Anode induziert eine chemische Reaktion des Brenngases, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen aufzuspalten. Die Wasserstoffionen wandern in Richtung zu der Kathode hin durch die Elektrolytmembran, und die Elektronen fließen durch eine externe Schaltung zur Kathode, was einen elektrischen Gleichstrom erzeugt. Ein hauptsächlich Sauerstoff oder Luft enthaltendes Gas (Sauerstoff enthaltendes Gas) wird der Kathode als ein Reaktanzgas zugeführt. An der Kathode kombinieren die Wasserstoffionen von der Anode mit den Elektronen und Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.
In der Brennstoffzelle wird ein Brenngasströmungsfeld (Reaktanzgasströmungsfeld) in einer Fläche des Separators gebildet, die der Anode zugewandt ist, und ein Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas (Reaktanzgasströmungsfeld) wird in einer Fläche des Separators gebildet, die der Kathode zugewandt ist. Ferner wird ein Kühlmittelströmungsfeld zwischen den Separatoren gebildet, um ein Kühlmittel entlang der Flächen der Separatoren zuzuführen. Im Allgemeinen umfasst sowohl das Brenngasströmungsfeld als auch das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas als auch das Kühlmittelströmungsfeld eine Mehrzahl von serpentinenförmigen Nuten oder geradlinigen Nuten, die einen Fluidzufuhrdurchgang und einen Fluidauslassdurchgang verbinden, die sich durch die Separatoren in der Stapelrichtung erstrecken.
Wenn die Größe des mit den Nuten verbundenen Fluidzufuhrdurchgangs und Fluidauslassdurchgangs klein ist, ist es erforderlich, einen Pufferabschnitt um den Fluidzufuhrdurchgang oder den Fluidauslassdurchgang vorzusehen, um ein Verschließen der Nuten durch Überlauf von durch die Nuten strömender Flüssigkeit zu verhindern.
Beispielsweise ist eine Gasströmungsfeldplatte einer Brennstoffzelle bekannt, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-106594 offenbart ist. Unter Bezugnahme auf 10 ist eine Gasströmungsfeldplatte 1 vorgesehen, die einen Durchgang für sauerstoffhaltiges Gas aufweist. Ein Einlassverteiler 2 für das sauerstoffhaltige Gas ist an einem oberen Teil der Gasströmungsfeldplatte 1 vorgesehen und ein Auslassverteiler 3 für das sauerstoffhaltige Gas ist an einem unteren Teil der Gasströmungsfeldplatte 1 vorgesehen.
Die Gasströmungsfeldplatte 1 umfasst ein Einlasströmungsfeld 4a, das mit dem Einlassverteiler 2 verbunden ist, ein Auslassströmungsfeld 4b, das mit dem Auslassverteiler 3 verbunden ist, sowie ein Zwischenströmungsfeld 5, das das Einlassströmungsfeld 4a und das Auslassströmungsfeld 4b verbindet. Vorsprünge 6a sind in dem Einlassströmungsfeld 4a und dem Auslassströmungsfeld 4b vorgesehen. Daher sind das Einlassströmungsfeld 4a und das Auslassströmungsfeld 4b in einem Matrixmuster ausgebildet. Das Zwischenströmungsfeld 5 weist ein gekrümmtes Muster auf mit einer Mehrzahl von Wendebereichen. Eine Mehrzahl von geradlinigen Nuten 7 und Matrixströmungsfeldern 8 ist in dem Zwischenströmungsfeld vorgesehen. Die Matrixströmungsfelder 8 sind durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen 6b in den Wendebereichen ausgebildet.
In der Gasströmungsfeldplatte 1 der Brennstoffzelle wirken das Einlassströmungsfeld 4a und das Auslassströmungsfeld 4b als Pufferabschnitte. Ein großer Bereich der Elektrodenfläche ist dem der Elektrode zugeführten Gas ausgesetzt und das Gas bewegt sich frei entlang der Elektrode. In dem Zwischengasströmungsfeld 5 strömt das Reaktanzgas durch die Mehrzahl von geradlinigen Nuten 7 gleichförmig mit hoher Geschwindigkeit.
In der Gasströmungsfeldplatte 1 ist praktisch eine Mehrzahl von Serpentinenströmungsdurchgängen 1a zwischen dem Einlassverteiler 2 und dem Auslassverteiler 3 ausgebildet. In den Wendebereichen des Strömungsdurchgangs 1a sind die Strömungsfelder 8 im Matrixmuster durch die Vorsprünge 6b gebildet. Das Einlassströmungsfeld 4a und das Auslassströmungsfeld 4b sind in dem Matrixmuster durch die Vorsprünge 6a ausgebildet.
Das Einlassströmungsfeld 4a, das Auslassströmungsfeld 4b und das Matrixströmungsfeld 8 bilden Pufferabschnitte. In den Pufferabschnitten steigt der Kontaktwiderstand an und die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit sinkt un erwünschterweise ab. Insbesondere nehmen die Pufferabschnitte einen großen Flächenbereich der Gasdurchgangsplatte 1 mit dem Strömungsdurchgang 1a in Anspruch. Daher kann die Stromerzeugung nicht effizient durchgeführt werden.
Eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 2002/0117780 A1 bekannt.
Eine weitere Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung ist aus der EP 1 220 347 A2 bekannt. Eine derartige Anordnung zeigt auch die EP 1 387 424 A2 , die nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Membranelektrodenanordnung und eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die gewünschte Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit mit einer einfachen Struktur erreicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Membranelektrodenanordnung gemäß Anspruch 1 sowie eine Brennstoffzelle mit Membranelektrodenanordnung gemäß Anspruch 6 gelöst.
Bei der vorliegenden Erfindung weist die Membranelektrodenanordnung insgesamt eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Wenigstens eine Ecke der Membranelektrodenanordnung weist eine Erweiterung auf, die nach außen verläuft. Insbesondere steht die Erweiterung in Richtung zu einem Pufferabschnitt hin vor, der außerhalb eines Stromerzeugungsbereichs der Membranelektrodenanordnung vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens zwei Erweiterungen an diagonalen Stellen der Membranelektrodenanordnung vorgesehen sind. Zum Beispiel sind die beiden Erweiterungen an Stellen ausgebildet, die einem Einlasspufferabschnitt zum Zuführen eines Reaktanzgases zu einem Reaktanzgasströmungsfeld und einem Auslasspufferabschnitt zum Auslassen des Reaktanzgases von dem Reaktanzgasströmungsfeld, nachdem das Reaktanzgas in der Stromerzeugung verbraucht wurde, entsprechen.
Im Allgemeinen ist ein Reaktanzgasströmungsfeld an einer Fläche des Separators ausgebildet und ein Kühlmittelströmungsfeld ist an der anderen Fläche des Separators ausgebildet. Das Reaktanzgasströmungsfeld ist mit dem Einlasspufferabschnitt und dem Auslasspufferabschnitt verbunden. In ähnlicher Weise ist das Kühlmittelströmungsfeld mit einem Einlasspufferabschnitt und einem Auslasspufferabschnitt für das Kühlmittel verbunden. Wenn da her der Separator aus einem Metallblech hergestellt ist, sind Vorsprünge und Vertiefungen an beiden Flächen des Metallblechs in Bereichen ausgebildet, die den vier Pufferabschnitten entsprechen.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Erweiterung ein derart geneigtes Ende aufweist, um eine im Wesentlichen dreieckige Form aufzuweisen.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Flächenbereich der ersten Elektrode kleiner ist als der Flächenbereich der zweiten Elektrode, sowie dass die zweite Elektrode die gesamte Fläche der Festpolymerelektrolytmembran abdeckt. Es ist einfach, zwischen der Rückfläche und der Frontfläche der Membranelektrodenanordnung zu unterscheiden. Daher ist es beim Zusammenbau der Brennstoffzelle nicht wahrscheinlich, dass die Frontfläche der Membranelektrodenanordnung versehentlich als die Rückfläche der Membranelektrodenanordnung behandelt wird sowie umgekehrt.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Membranelektrodenanordnung eine rotationssymmetrische Form aufweist. Mit der Struktur verändert sich sogar dann, wenn die Membranelektrodenanordnung um 180° gedreht wird, die Form der Membranelektrodenanordnung nicht. Daher kann die Brennstoffzelle leicht und effizient zusammengebaut werden.
Es ist bevorzugt, dass das Reaktanzgasströmungsfeld einen Serpentinendurchgang aufweist mit einer geraden Anzahl von Wendebereichen in der Fläche des Separators und dass die Breite der Erweiterung im Wesentlichen dieselbe ist wie die Breite der Wendebereiche des Serpentinendurchgangs.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erstreckt sich eine Erweiterung von wenigstens einer Ecke der Membranelektrodenanordnung. Die Erweiterung dichtet den Pufferabschnitt hermetisch zur Verhinderung eines Austretens des Reaktanzgases von dem Pufferabschnitt ab. Da lediglich die Erweiterung außerhalb des Stromerzeugungsbereichs ausgebildet ist, ist es ferner möglich, das Reaktanzgas der gesamten Fläche der im Wesentlichen recht eckigen Membranelektrodenanordnung zuzuführen. Der effektive Stromerzeugungsbereich der Membranelektrodenanordnung ist erhöht und daher ist die Stromerzeugungseffizienz der Membranelektrodenanordnung verbessert. Mit der einfachen Struktur ist es möglich, die gewünschte Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit zu erreichen.
Das Reaktanzgas strömt sanft und ein Überlaufen des Reaktanzgases wird verhindert. Der Einlasspufferabschnitt und der Auslasspufferabschnitt sind zuverlässig abgedichtet. Mit den vier Erweiterungen, die an diagonalen Stellen der Membranelektrodenanordnung vorgesehen sind, ist es möglich, zuverlässig die vier Pufferabschnitte der Metallplatte hermetisch abzudichten.
Der weite Bereich der Membranelektrodenanordnung kann zur Stromerzeugung verwendet werden. Daher kann die Stromerzeugung effizient ausgeführt werden. Es ist möglich, die gewünschte Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Membranelektrodenanordnung zu erhalten, bei der der Flächenbereich der ersten Elektrode kleiner ist als der Flächenbereich der zweiten Elektrode. Die Pufferabschnitte sind nicht in dem Stromerzeugungsbereich vorgesehen. Der Kontaktwiderstand steigt nicht an und daher kann die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit auf leichte Weise verbessert werden.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft gezeigt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer in 1 gezeigten Linie II-II, die einen durch Stapeln der Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel zeigt,
3 ist eine Perspektivansicht, die eine Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 ist eine Frontansicht, die eine Fläche einer ersten Metallplatte der Brennstoffzelle zeigt,
5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein in einem Separator gebildetes Kühlmittelströmungsfeld zeigt,
6 ist eine Frontansicht, die die andere Fläche der ersten Metallplatte zeigt,
7 ist eine Frontansicht, die eine Fläche der zweiten Metallplatte zeigt,
8 ist eine Frontansicht, die die andere Fläche der zweiten Metallplatte zeigt,
9 ist eine Perspektivansicht, die eine andere Membranelektrodenanordnung zeigt, und
10 ist eine Ansicht, die eine Gasströmungsfeldplatte einer herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer in 1 ge zeigten Linie II-II, die einen durch Stapeln der Brennstoffzellen 10 in einer durch einen Pfeil A angedeuteten Stapelrichtung gebildeten Brennstoffzellenstapel zeigt.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 12 und Separatoren 13, die die Membranelektrodenanordnung 12 sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Jeder der Separatoren 13 umfasst eine erste Metallplatte 14 und eine zweite Metallplatte 16, die zusammengestapelt sind.
Wie in 1 gezeigt ist, sind an einem Ende der Brennstoffzelle 10 in einer durch einen Pfeil B angezeigten Richtung ein Zufuhrdurchgang 20a für ein sauerstoffhaltiges Gas zur Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases (Reaktanzgas), ein Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a zum Zuführen eines Kühlmittels und ein Brenngasausstoßdurchgang 24b zum Ausstoßen eines Brenngases (Reaktanzgas), etwa eines wasserstoffhaltigen Gases, vertikal in einer durch einen Pfeil C angezeigten Richtung angeordnet. Der Zufuhrdurchgang 20a für ein sauerstoffhaltiges Gas, der Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a und der Brenngasausstoßdurchgang 24b verlaufen durch die Brennstoffzelle 10 in der durch den Pfeil A angezeigten Stapelrichtung.
Am anderen Ende der Brennstoffzelle 10 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung sind ein Brenngaszufuhrdurchgang 24a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmittelausstoßdurchgang 22b zum Ausstoßen des Kühlmittels und ein Ausstoßdurchang 20b für ein sauerstoffhaltiges Gas zum Ausstoßen des sauerstoffhaltigen Gases in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung angeordnet. Der Brenngaszufuhrdurchgang 24a, der Kühlmittelausstoßdurchgang 22b und der Ausstoßdurchgang 20b für ein sauerstoffhaltiges Gas verlaufen durch die Brennstoffzelle 10 in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung.
Wie in 1 und 3 gezeigt ist, umfasst die Membranelektrodenanordnung 12 eine Anode (erste Elektrode) 28 und eine Kathode (zweite Elektrode) 30 sowie eine Festpolymerelektrolytmembran 26, die zwischen der Anode 28 und der Kathode 30 angeordnet ist. Die Festpolymerelektrolytmembran 26 ist beispielsweise gebildet durch Imprägnieren einer dünnen Membran von Perfluorsulfonsäure mit Wasser. Der Flächenbereich der Anode 28 ist kleiner als der Flächenbereich der Kathode 30. Die Kathode 30 bedeckt den gesamten Umfang der Festpolymerelektrolytmembran 26.
Sowohl die Anode 28 als auch die Kathode 30 weist eine Gasdiffusionsschicht wie ein Kohlepapier auf, sowie eine Elektrodenkatalysatorschicht aus auf porösen Kohlenstoffpartikeln gelagerter Platinlegierung auf. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichförmig auf der Fläche der Gasdiffusionsschicht abgeschieden. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 28 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 30 sind jeweils an beiden Flächen der Festpolymerelektrolytmembran 26 angebracht.
Die Membranelektrodenanordnung 12 weist insgesamt eine rechteckige Form auf. Wenigstens eine Ecke der Membranelektrodenanordnung weist eine Erweiterung auf. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen vier Ecken der Membranelektrodenanordnung 12 jeweils Erweiterungen 12a bis 12d auf. Die Erweiterungen 12a bis 12d verlaufen nach außen an jeweiligen diagonalen Stellen. Jede der Erweiterungen 12a bis 12d umfasst ein geneigtes Ende, derart, dass sie eine im Wesentlichen dreieckige Form entsprechend der Form eines Pufferabschnitts aufweisen, wie später beschrieben wird.
Die Form der Membranelektrodenanordnung 12 weist in einer Planansicht eine Rotationssymmetrie von 180° auf, d. h. die Form der Membranelektrodenanordnung 12 verändert sich nicht, nachdem die Membranelektrodenanordnung 12 um 180° gedreht wurde. Insbesondere weist sowohl die Festpolymerelektrolytmembran 26, die Anode 28 als auch die Kathode 30 eine rotationssymmetrische Form auf (siehe 3). Die Membranelektrodenanordnung 12 besitzt einen rechteckigen Stromerzeugungsbereich 31, und die Erweiterungen 12a bis 12d sind außerhalb des Stromerzeugungsbereichs 31 vorgesehen.
Wie in 1 und 4 gezeigt ist, weist die erste Metallplatte 14 ein Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas (Reaktanzgasströmungsfeld) an seiner Fläche 14a auf, die der Membranelektrodenanordnung 12 zugewandt ist. Das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas ist mit dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas an einem Ende verbunden, und mit dem Ausstoßdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges Gas am anderen Ende verbunden. Im Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas ist ein im Wesentlichen rechtwinklig dreieckiger (im Wesentlichen dreieckiger) Einlasspufferabschnitt 34 in der Nähe des Zufuhrdurchgangs 20a für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen und ein im Wesentlichen rechtwinklig dreiseeckiger (im Wesentlichen dreiseckiger) Auslasspufferabschnitt 36 ist in der Nähe des Ausstoßdurchgangs 20b für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen. Die Form des Einlasspufferabschnitts 34 und die Form des Auslasspufferabschnitts 36 sind im Wesentlichen symmetrisch zueinander. Eine Mehrzahl von Ansätzen 34a ist in dem Pufferabschnitt 34 ausgebildet und eine Mehrzahl von Ansätzen 36a ist in dem Pufferabschnitt 36 ausgebildet.
Das Strömungsfeld 32 für sauerstoffhaltiges Gas umfasst eine Mehrzahl von Nuten 38 für sauerstoffhaltiges Gas, die parallel verlaufen und die zwischen den Einlasspufferabschnitt 34 und den Auslasspufferabschnitt 36 geschaltet sind. Jede der Nuten 38 für sauerstoffhaltiges Gas weist ein serpentinenförmiges Muster auf, so dass das sauerstoffhaltige Gas durch die Nuten 38 für sauerstoffhaltiges Gas in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung hin- und herströmt und in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung wendet. Der Einlasspufferabschnitt 34 und der Auslasspufferabschnitt 36 sind außerhalb des Stromerzeugungsbereichs 31 vorgesehen. Die Erweiterungen 12a, 12b der Membranelektrodenanordnung 12 entsprechen den Formen des Einlasspufferabschnitts 34 und des Auslasspufferabschnitts 36.
Das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas weist einen Serpentinendurchgang auf, der eine gerade Anzahl von z. B. zwei Wendebereichen in der Fläche 14a der ersten Metallplatte 14 aufweist. Die Breite der Erwei terungen 12a, 12b ist im Wesentlichen dieselbe wie die Breite der Wendebereiche des Serpentinendurchgangs.
Eine planare Dichtung 40a ist an der Fläche 14a der ersten Metallplatte 14 vorgesehen. Die planare Dichtung 40a ist um den Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas, den Ausstoßdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges Gas und das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas zum Verhindern des Austretens des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen.
Wenn die erste Metallplatte 14 und die zweite Metallplatte 16 zusammengestapelt sind, wird ein Kühlmittelströmungsfeld 42 zwischen der Fläche 14b der ersten Metallplatte 14 und der Fläche 16a der zweiten Metallplatte 16, die einander zugewandt sind, gebildet. Wie in 5 gezeigt ist, sind im Kühlmittelströmungsfeld 42 im Wesentlichen dreieckige erste und zweite Einlasspufferabschnitte 44, 46 an gegenüberliegenden Enden in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung in der Nähe des Kühlmittelzufuhrdurchgangs 22a vorgesehen und im Wesentlichen dreieckige erste und zweite Auslasspufferabschnitte 48, 50 sind an durch den Pfeil C angezeigten gegenüberliegenden Enden in der Nähe des Kühlmittelausstoßdurchgangs 22b vorgesehen.
Die Form des ersten Einlasspufferabschnitts 44 und die Form des zweiten Auslasspufferabschnitts 50 sind im Wesentlichen symmetrisch zueinander. Die Form des zweiten Einlasspufferabschnitts 46 und die Form des ersten Auslasspufferabschnitts 48 sind im Wesentlichen symmetrisch zueinander. Eine Mehrzahl von Ansätzen 44a, 46a, 48a und 50a ist jeweils im ersten Einlasspufferabschnitt 44, dem zweiten Einlasspufferabschnitt 46, dem ersten Auslasspufferabschnitt 48 und dem zweiten Auslasspufferabschnitt 50 ausgebildet.
Der Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a und der erste Einlasspufferabschnitt 44 sind durch einen ersten Einlassverbindungskanal 52 verbunden und der Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a und der erste Einlasspufferabschnitt 46 sind durch einen zweiten Einlassverbindungskanal 54 verbunden. Der Kühlmittelausstoßdurchgang 22b und der erste Auslasspufferabschnitt 48 sind durch einen ersten Auslassverbindungskanal 56 verbunden und der Kühlmittelausstoßdurchgang 22b und der zweite Auslasspufferabschnitt 50 sind durch einen zweiten Auslassverbindungskanal 58 verbunden.
Das Kühlmittelströmungsfeld 42 enthält eine Mehrzahl von geraden Nuten 60, die in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung verlaufen, und eine Mehrzahl von geraden Nuten 62, die in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung verlaufen. Die Nuten des Kühlmittelströmungsfelds 42 sind teilweise an der ersten Metallplatte 14 und teilweise an der zweiten Metallplatte 16 ausgebildet. Wenn die erste Metallplatte 14 und die zweite Metallplatte 16 zusammengestapelt werden, wird das Kühlmittelströmungsfeld 42 zwischen der ersten Metallplatte 14 und der zweiten Metallplatte 16 gebildet. Wie in 6 gezeigt ist, ist das Kühlmittelströmungsfeld 42 an einem Teil der Fläche 14b der ersten Metallplatte 14 ausgebildet. Das Kühlmittelströmungsfeld 42 ist nicht in einem Bereich ausgebildet, in dem das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas an der Fläche 14a der ersten Metallplatte 14 ausgebildet ist.
An der Fläche 14b sind Vorsprünge entsprechend den Nuten des Strömungsfelds 32 für sauerstoffhaltiges Gas an der Fläche 14a ausgebildet. Der Kürze halber sind die Vorsprünge an der Fläche 16b in 6 nicht gezeigt. Dementsprechend sind an der Fläche 16b Vorsprünge entsprechend den Nuten eines Brenngasströmungsfelds (Reaktanzgasströmungsfelds) 66 an der in 8 gezeigten Fläche 16a ausgebildet, wie später beschrieben wird. Die Vorsprünge an der Fläche 16b sind in 7 nicht gezeigt.
Der erste Einlasspufferabschnitt 44, der mit dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a durch den ersten Einlassverbindungskanal 52 verbunden ist, und der zweite Auslasspufferabschnitt 50, der mit dem Kühlmittelausstoßdurchgang 22b durch den zweiten Auslassverbindungskanal 58 verbunden ist, sind an der Fläche 14b ausgebildet. Ferner verläuft eine Mehrzahl von Nuten 60a als Teil der geraden Nuten 60 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung, und eine Mehrzahl von Nuten 62a als Teil der geraden Nuten 62 verläuft in der durch den Pfeil C angedeuteten Richtung an der Fläche 14b.
Eine planare Dichtung 40b ist an der Fläche 14b der ersten Metallplatte 14 vorgesehen. Die planare Dichtung 40b ist um den Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a, den Kühlmittelausstoßdurchgang 22b und das Kühlmittelströmungsfeld 42 zum Verhindern des Austretens des Kühlmittels vorgesehen. Die planaren Dichtungen 40a, 40b bilden ein erstes Dichtungselement 40. Das erste Dichtungselement 40 ist integral an den Flächen 14a, 14b des ersten Metallseparators 14 derart vorgesehen, dass es den äußeren Rand des ersten Metalseparators 14 abdeckt (sandwichartig umgibt) (siehe 2).
Wie in 7 gezeigt ist, ist ein Teil des Kühlmittelströmungsfelds 42 an der Fläche 16a des zweiten Metallseparators 16 in einem Bereich ausgebildet, in dem das Brenngasströmungsfeld 66 nicht ausgebildet ist, wie später beschrieben wird. Insbesondere ist der zweite Einlasspufferabschnitt 46, der mit dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a verbunden ist, und der erste Auslasspufferabschnitt 48, der mit dem Kühlmittelausstoßdurchgang 22b verbunden ist, an der Fläche 16b ausgebildet.
Ferner verläuft eine Mehrzahl von Nuten 60b als Teil der geraden Nuten 60 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung und eine Mehrzahl von Nuten 62b als Teil der geraden Nuten 62 verläuft in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung an der Fläche 16a.
Wie in 8 gezeigt ist, weist die zweite Metallplatte 16 ein Brenngasströmungsfeld 66 an ihrer der Membranelektrodenanordnung 12 zugewandten Fläche 16b auf. Das Brenngasströmungsfeld 66 ist mit dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a an einem Ende verbunden und mit dem Brenngasausstoßdurchgang 24b an dem anderen Ende verbunden. Im Brenngasströmungsfeld 66 ist ein im Wesentlichen rechtwinklig dreieckiger (im Wesentlichen dreieckiger) Einlasspufferabschnitt 68 in der Nähe des Brenngaszufuhrdurchgangs 24a vorgesehen und ein im Wesentlichen rechtwinklig dreieckiger (im Wesentlichen dreieckiger) Auslasspufferabschnitt 70 ist in der Nähe des Brenngasausstoßdurchgangs 24b vorgesehen.
Die Form des Einlasspufferabschnitts 68 und die Form des Auslasspufferabschnitts 70 sind im Wesentlichen symmetrisch zueinander. Eine Mehrzahl von Ansätzen 68a ist in dem Pufferabschnitt 68 ausgebildet und eine Mehrzahl von Ansätzen 70a ist in dem Pufferabschnitt 70 ausgebildet.
Das Brenngasströmungsfeld 66 umfasst eine Mehrzahl von Brenngasnuten 72, die parallel verlaufen und den Einlasspufferabschnitt 68 und den Auslasspufferabschnitt 70 verbinden. Jede der Brenngasnuten 72 weist ein Serpentinenmuster auf, so dass das Brenngas durch die Brenngasnuten 72 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung hin- und herströmt und in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung umkehrt. Der Einlasspufferabschnitt 68 und der Auslasspufferabschnitt 70 sind außerhalb des Stromerzeugungsbereichs 31 vorgesehen. Die Formen der Erweiterungen 12c, 12d der Membranelektrodenanordnung 12 entsprechen den Formen des Einlasspufferabschnitts 68 und des Auslasspufferabschnitts 70.
Das Brenngasströmungsfeld 66 weist einen Serpentinendurchgang auf, der eine gerade Anzahl von zum Beispiel zwei Wendebereichen in der Fläche 16b der zweiten Metallplatte 16 aufweist. Die Breite der Erweiterungen 12c, 12d ist im Wesentlichen dieselbe wie die Breite der Wendebereiche des Serpentinendurchgangs.
Ein zweites Dichtungselement 74 ist integral an den Flächen 16a, 16b des zweiten Metallseparators 16 derart vorgesehen, dass sie den äußeren Rand des zweiten Metallseparators 16 abdeckt (sandwichartig umgibt). Das zweite Dichtungselement 74 umfasst eine Liniendichtung 74a, die an der Fläche 16a um den Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a, den Kühlmittelausstoßdurchgang 22b und das Kühlmittelströmungsfeld 42 herum zum Verhindern des Austretens des Kühlmittels vorgesehen ist, wie in 7 gezeigt ist, und eine Liniendichtung 74b, die an der Fläche 16b um den Brenngaszufuhrdurchgang 24a, den Brenngasausstoßdurchgang 24b und das Brenngasströmungsfeld 66 herum zum Verhindern des Austretens des Brenngases vorgesehen ist, wie in 8 gezeigt ist.
Nachfolgend wird ein Betrieb der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, wird ein sauerstoffhaltiges Gas dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und ein Brenngas, wie ein wasserstoffhaltiges Gas, wird dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel, wie reines Wasser, ein Ethylenglykol oder ein Öl, dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a zugeführt.
Das sauerstoffhaltige Gas strömt von dem Zufuhrdurchgang 20a für sauerstoffhaltiges Gas in das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas des ersten Metallseparators 14. Wie in 4 gezeigt ist, strömt sauerstoffhaltiges Gas in dem Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas zeitweilig in den Einlasspufferabschnitt 34. Danach wird das sauerstoffhaltige Gas von dem Einlasspufferabschnitt 34 in die Mehrzahl von Nuten 38 für sauerstoffhaltiges Gas verteilt. Das sauerstoffhaltige Gas strömt durch die Nuten 38 für sauerstoffhaltiges Gas in einem serpentinenförmigen Muster entlang der Kathode 30 der Membranelektrodenanordnung 12, um eine elektrochemische Reaktion an der Kathode 30 zu induzieren.
Das Brenngas strömt von dem Brenngaszuduhrdurchgang 24a in das Brenngasströmungsfeld 66 des zweiten Metallseparators 16. Wie in 8 gezeigt ist, strömt im Brenngasströmungsfeld 66 das Brenngas zeitweilig in den Einlasspufferabschnitt 68. Danach wird das Brenngas von dem Einlasspufferabschnitt 68 in die Mehrzahl von Brenngasnuten 72 verteilt. Das Brenngas strömt durch die Brenngasnuten 72 in einem serpentinenförmigen Muster entlang der Anode 28 der Membranelektrodenanordnung 12, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode 28 zu induzieren.
Danach wird in der Membranelektrodenanordnung 12 das der Kathode 30 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 28 zugeführte Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen an den Katalysatorschichten der Kathode 30 und der Anode 28 zur Erzeugung von Elektrizität verbraucht.
Nachdem der Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas an der Kathode 30 verbraucht ist, wird das sauerstoffhaltige Gas in den Ausstoßdurchgang 20b für sauerstoffhaltiges Gas durch den Auslasspufferabschnitt 36 (siehe 1) ausgestoßen. Dementsprechend wird, nachdem das Brenngas an der Anode 28 verbraucht ist, das Brenngas in den Brenngasausstoßdurchgang 24b durch den Auslasspufferabschnitt 70 (siehe 8) ausgestoßen.
Das Kühlmittel von dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a strömt in das Kühlmittelströmungsfeld 42 zwischen dem ersten und dem zweiten Metallseparator 14, 16. Wie in 5 gezeigt ist, strömt im Kühlmittelströmungsfeld 42 das Kühlmittel zeitweilig in den ersten und den zweiten Einlasspufferabschnitten 44, 46 durch den ersten und den zweiten Einlassverbindungskanal 52, 54, die von dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 22a in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung verlaufen.
Danach wird das Kühlmittel von dem ersten und dem zweiten Einlasspufferabschnittt 44, 46 in die Mehrzahl von geraden Nuten 60 verteilt. Das Kühlmittel strömt durch die geraden Nuten 60 horizontal in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Das Kühlmittel wird teilweise der Mehrzahl von geraden Nuten 62 zugeführt und strömt durch die geraden Nuten 62 vertikal in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung. Daher wird das Kühlmittel der gesamten Elektrodenfläche der Membranelektrodenanordnung 12 zugeführt. Nachdem das Kühlmittel zum Kühlen der Stromerzeugungsfläche verwendet worden ist, strömt das Kühlmittel zeitweilig in den ersten und den zweiten Auslasspufferabschnitt 48, 50. Danach wird das Kühlmittel in den zweiten Ausstoßdurchgang 22b durch den ersten und den zweiten Auslassverbin dungskanal 56, 58 ausgestoßen.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Membranelektrodenanordnung 12 insgesamt eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Die vier Erweiterungen 12a bis 12d erstrecken sich von den Ecken der Membranelektrodenanordnung 12 nach außen. Die Erweiterungen 12a, 12b dichten den Einlasspuffer 34 und den Auslasspuffer 36 hermetisch ab und die Erweiterungen 12c, 12d dichten den Einlasspufferabschnitt 68 und den Auslasspufferabschnitt 70 hermetisch ab.
Daher weisen die Erweiterungen 12a bis 12d die Abdichtfunktion zum Verhindern des Austretens von sauerstoffhaltigem Gas und Brenngas auf. Mit den Erweiterungen 12a bis 12d kann die Dichtungsstruktur auf leichte Weise vereinfacht werden. Das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas ist mit dem Einlasspufferabschnitt 34 und dem Auslasspufferabschnitt 36 verbunden. Das Brenngasströmungsfeld 66 ist mit dem Einlasspufferabschnitt 68 und dem Auslasspufferabschnitt 70 verbunden. Daher strömen das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas sanft, ein Überlaufen kann zuverlässig verhindert werden und ein Austreten des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases kann in erwünschter Weise verhindert werden.
Da lediglich die Erweiterungen 12a bis 12d sich von dem Stromerzeugungsbereich 31 nach außen erstrecken, kann das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas den gesamten Flächen der im Wesentlichen rechteckigen Membranelektrodenanordnung 12 zugeführt werden. Der effektive Stromerzeugungsbereich der Membranelektrodenanordnung 12 ist erhöht und daher ist die Stromerzeugungseffizienz der Membranelektrodenanordnung 12 verbessert. Mit dieser einfachen Struktur ist es möglich, die gewünschte Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit zu erreichen.
Der Separator 13 umfasst die erste und die zweite Metallplatte 14, 16. Die Nuten und Vorsprünge des ersten Einlasspufferabschnitts 44 und des zweiten Auslasspufferabschnitts 50 für das Kühlmittel sind zusätzlich zum Einlasspuf ferabschnitt 34 und zum Auslasspufferabschnitt 36 an der Fläche 14a der ersten Metallplatte 14 ausgebildet. Dementsprechend sind die Nuten und Vorsprünge des zweiten Einlasspufferabschnitts 46 und des ersten Auslasspufferabschnitts 48 für das Kühlmittel zusätzlich zu dem Einlasspufferabschnitt 68 und dem Auslasspufferabschnitt 70 an der Fläche 16b des zweiten Metallseparators 16 ausgebildet. Die Membranelektrodenanordnung 12 weist vier Erweiterungen 12a bis 12d an den vier Ecken auf. Daher kann das Austreten des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases effizient verhindert werden.
Ferner weisen die Erweiterungen 12a bis 12d die im Wesentlichen dreieckige Form auf, die den Formen der Einlasspufferabschnitte 34, 68 und der Auslasspufferabschnitte 36, 70 entspricht. Daher kann der weite Bereich der Membranelektrodenanordnung 12 zur Stromerzeugung verwendet werden und daher kann die Membranelektrodenanordnung 12 die Stromerzeugung effizient durchführen.
Das Strömungsfeld 32 für ein sauerstoffhaltiges Gas weist einen Serpentinendurchgang auf, der eine gerade Anzahl von zum Beispiel zwei Wendebereichen in der Fläche 14a der ersten Metallplatte 14 aufweist. Die Breite der Erweiterungen 12a, 12b ist im Wesentlichen dieselbe wie die Breite der Wendebereiche des Serpentinendurchgangs. Dementsprechend weist das Brenngasströmungsfeld 66 einen Serpentinendurchgang mit einer geraden Anzahl von zum Beispiel zwei Wendebereichen in der Fläche 16b der zweiten Metallplatte 16 auf. Die Breite der Erweiterungen 12c, 12d ist im Wesentlichen dieselbe wie die Breite der Wendebereiche des Serpentinendurchgangs. Daher sind die Elektrodenflächen der Membranelektrodenanordnung 12 in den Bereichen vorgesehen, in denen die Einlasspufferabschnitte 34, 68 und die Auslasspufferabschnitte 36, 70 nicht vorgesehen sind. Daher erhöht sich der Kontaktwiderstand nicht und die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit kann in einfacher Weise verbessert werden.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Flächenbereich der Anode 28 kleiner als der Flächenbereich der Kathode 30. Die Form der Membranelektrodenanordnung 12 weist eine Rotationssymmetrie von 180° in einer Planansicht auf, d. h. die Form der Membranelektrodenanordnung 12 verändert sich nicht, nachdem die Membranelektrodenanordnung 12 um 180° gedreht worden ist. Daher können die Vorderfläche und die Rückfläche der Membranelektrodenanordnung 12 auf einfache Weise unterschieden werden. Beim Zusammenbauen der Membranelektrodenanordnung 12 ist es nicht wahrscheinlich, dass die Vorderfläche der Membranelektrodenanordnung 12 versehentlich als die Rückfläche der Membranelektrodenanordnung 12 behandelt wird.
Die Membranelektrodenanordnung 12 kann in geeigneter Weise verwendet werden, sogar wenn sie um 180° gedreht ist. Zum Beispiel können die Erweiterungen 12a, 12b den Auslasspufferabschnitt 36 und den Einlasspufferabschnitt 34 hermetisch abdichten und die Erweiterungen 12c, 12d können den Auslasspufferabschnitt 70 und den Einlasspufferabschnitt 68 hermetisch abdichten. Demzufolge kann die Brennstoffzelle 10 in einfacher Weise und effizient zusammengebaut werden.
Wenn der Einlasspufferabschnitt 34, 68 und der Auslasspufferabschnitt 36, 70 eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, kann eine in 9 gezeigte Membranelektrodenanordnung 80 anstelle der Membranelektrodenanordnung 12 verwendet werden. Die Membranelektrodenanordnung 80 weist eine Anode 28 und eine Kathode 30 auf, sowie eine zwischen der Anode 28 und der Kathode 30 angeordnete Festpolymerelektrolymembran 26. Die Membranelektrodenanordnung 80 weist insgesamt eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Wenigstens eine Ecke der Membranelektrodenanordnung 80 weist eine Erweiterung auf. Zum Beispiel weisen vier Ecken der Membranelektrodenanordnung 80 vier Erweiterungen 80a bis 80d auf, die nach außen verlaufen. Die Form der Membranelektrodenanordnung 80 weist eine Rotationssymmetrie auf.
Eine Membranelektrodenanordnung (12) umfasst eine Anode (28), eine Ka thode (30) und eine Festpolymerelektrolytmembran (26), die zwischen der Anode (28) und der Kathode (30) angeordnet ist. Die Membranelektrodenanordnung (12) weist insgesamt eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Erweiterungen (12a bis 12d) erstrecken sich von vier Ecken der Membranelektrodenanordnung (12) nach außen. Jede der Erweiterungen (12a bis 12d) weist ein geneigtes Ende auf, um eine im Wesentlichen dreieckige Form aufzuweisen. Die Membranelektrodenanordnung (12) weist einen im Wesentlichen rechteckigen Stromerzeugungsbereich (31) auf.

Claims

Membranelektrodenanordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle (10), wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) umfasst: eine erste Elektrode (28), eine zweite Elektrode (30), und eine Festpolymerelektrolytmembran (26), die zwischen der ersten Elektrode (28) und der zweiten Elektrode (30) angeordnet ist, wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) insgesamt eine rechteckige Form und wenigstens eine sich nach außen erstreckende und zu einem Pufferabschnitt (34, 36, 68, 70) für im Einbauzustand an der Membranelektrodenanordnung entlang strömendes Reaktanzgas hin vorstehende Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (28, 30) eine gesamte Fläche der Festpolymerelektrolytmembran (26) abdeckt und dass die Membranelektrodenanordnung insgesamt vier Erweiterungen (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) aufweist, die jeweils an einer Ecke der Membranelektrodenanordnung (12; 80) angeordnet sind wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) eine um ihre Zentralachse drehsymmetrische Form aufweist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Erweiterungen (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) diagonal zueinander an der Membranelektrodenanordnung (12; 80) angeordnet sind.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) ein geneigtes Ende aufweist, so dass sie eine dreieckige Form aufweist.
Membranelektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenbereich der ersten Elektrode (28) kleiner ist als ein Flächenbereich der zweiten Elektrode (30) und dass die zweite Elektrode (30) derart vorgesehen ist, dass sie die gesamte Fläche der Festpolymerelektrolytmembran (26) abdeckt.
Membranelektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) außerhalb eines Stromerzeugungsbereichs (31) der Membranelektrodenanordnung (12; 80) vorgesehen ist.
Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (12; 80) und einem Paar von Separatoren (13), die die Membranelektrodenanordnung (12; 80) zwischen sich aufnehmen, wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) eine erste Elektrode (38), eine zweite Elektrode (40) und eine Elektrolytmembran (26) umfasst, die zwischen der ersten Elektrode (28) und der zweiten Elektrode (30) angeordnet ist, wobei ein Reaktanzgasströmungsfeld (32) zwischen der Membranelektrodenanordnung (12; 80) und dem Separator (13) zum Zuführen eines Reaktanzgases entlang einer Elektrodenfläche ausgebildet ist, wobei wenigstens ein mit einem Reaktanzgasströmungsfeld (32; 66) verbundener Pufferabschnitt (34, 36, 68, 70) an dem Separator (13) außerhalb eines Stromerzeugungsbereichs der Membranelektrodenanordnung (12; 80) vorgesehen ist, wobei die Membranelektrodenanordnung (12; 80) insgesamt eine rechteckige Form und wenigstens eine in Richtung zu dem Pufferabschnitt (34) hin vorstehende Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden eine gesamte Fläche der Festpolymerelektrolytmembran (26) abdeckt und dass die Membranelektrodenanordnung insgesamt vier Erweiterungen (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) aufweist und insgesamt vier Pufferabschnitte (34, 36, 68, 70) gebildet sind, wobei jede der Erweiterungen (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) an einer Ecke der Membranelektrodenanordnung (12; 80) angeordnet ist und die Membranelektrodenanordnung (12; 80) eine um ihre Zentralachse drehsymmetrische Form aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Erweiterungen (12a; 12b; 12c; 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) diagonal zueinander an der Membranelektrodenanordnung (12; 80) angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) ein geneigtes Ende aufweist, so dass sie eine dreieckige Form aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenbereich der ersten Elektrode (28) kleiner ist als der Flächenbereich der zweiten Elektrode (30) und dass die zweite Elektrode (30) derart vorgesehen ist, dass sie die gesamte Fläche der Festpolymerelektrolytmembran (26) abdeckt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktanzgasströmungsfeld (32) einen Serpentinendurch gang aufweist, der eine gerade Anzahl von Wendebereichen in einer Fläche des Separators (13) aufweist, und die Breite der Erweiterung (12a, 12b, 12c, 12d; 80a, 80b, 80c, 80d) dieselbe ist wie die Breite der Wendebereiche des Serpentinendurchgangs.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (13) aus einer Metallplatte (14) hergestellt ist.