DE102006028541A1

DE102006028541A1 - Brennstoffzelle und Separator für Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102006028541A1
Application number: DE102006028541A
Authority: DE
Inventors: Narutoshi Wako Sugita; Takashi Wako Kosaka; Shuji Wako Sato; Takeshi Wako Muro; Masaaki Wako Sakano
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: CN100461517C; US20070003816A1; CN1885604A; DE102006028541B4; CA2549668C; JP4673141B2; CA2549668A1; JP2007005076A; US7790326B2

Abstract

Eine erfindungsgemäße Einheitszelle (12) einer Brennstoffzelle (10) enthält eine Membranelektrodenanordnung (16) sowie einen anodenseitigen Metallseparator (18) und einen kathodenseitigen Metallseparator (20), die die Membranelektrodenanordnung (16) zwischen sich aufnehmen. Eine Mehrzahl erster Zuführlöcher (76a) und eine Mehrzahl zweiter Zuführlöcher (76b) erstrecken sich durch eine Kanaleinheit des anodenseitigen Metallseparators (18), und die Kanaleinheit verbindet den Brenngaszuführdurchgang (34a) mit einem Brenngasfließfeld (44). Brenngas von dem Brenngaszuführdurchgang (34a) fließt in die ersten Zuführlöcher (76a) und fließt durch einen Einlassverbindungskanal (72). Das Brenngas fließt in die zweiten Zuführlöcher (76b), die mit einem Ende des Einlassverbindungskanals (72) verbunden sind. Das Brenngas fließt zu der Seite der Membranelektrodenanordnung (16) und wird dann einer Anode (38) zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die Einheitszellen umfasst. Jede der Einheitszellen enthält eine Elektrolytelektrodenanordnung sowie Separatoren, die die Elektrolytelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten. Ein Reaktionsgasdurchgang erstreckt sich durch die Separatoren, um zu ermöglichen, dass ein Brenngas und/oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Reaktionsgas durch den Reaktionsgasdurchgang hindurchfließt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung den Separator für die Brennstoffzelle.
Eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle verwendet zum Beispiel eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine Anode, eine Kathode sowie eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolytmembran enthält. Die Elektrolytmembran ist eine Festpolymer-Ionenaustauschermembran. Die Membranelektrodenanordnung und die Separatoren, die die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen, bilden eine Einheit einer Stromerzeugungszelle (Einheitszelle), um Elektrizität zu erzeugen. Im Gebrauch werden allgemein eine vorbestimmte Anzahl von Einheitszellen aufeinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
In der Brennstoffzelle sind ein Brenngasfließfeld (Reaktionsgasfließfeld) und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (Reaktionsgasfließfeld) in den Oberflächen der Separatoren ausgebildet. Ein Brenngas fließt durch das Brenngasfließfeld entlang der Anode, und ein sauerstoffhaltiges Gas fließt durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld entlang der Kathode. Ferner erstrecken sich ein Brenngaszuführdurchgang und ein Brenngasabführdurchgang (Reaktionsgasdurchgänge), die mit dem Brenngasfließfeld verbunden sind, sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang (Reaktionsgasdurchgänge), die mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld verbunden sind, in der Stapelrichtung durch die Se paratoren hindurch.
In der Struktur ist das Reaktionsgasfließfeld mit dem Reaktionsgasdurchgang durch einen Verbindungskanal verbunden (ein in einem Brückenabschnitt ausgebildetes Reaktionsgasfließfeld). Zum Beispiel enthält der Verbindungskanal parallele Nuten, um zu ermöglichen, dass das Reaktionsgas glattgängig und gleichmäßig hindurchfließt. Jedoch könnte beim Dichtziehen der Separatoren, der Membranelektrodenanordnung und der Dichtungselemente zwischen diesen Komponenten das Dichtungselement auf unerwünschte Weise in den Verbindungskanal hinein verformt werden. Daher besteht die Möglichkeit, dass die gewünschte Dichteigenschaft nicht erhalten bleibt. Wenn ferner der Verbindungskanal verschlossen wird, fließt das Reaktionsgas nicht richtig.

Das US-Patent Nr. 6 066 409 offenbart einen elektrochemischen Brennstoffzellenstapel, wie in 21 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel enthält Anoden-Separatorplatten 1a, 1b und Kathoden-Separatorplatten 2a, 2b sowie eine MEA 3. Eine Anode 3a der MEA 3 kontaktiert die Anoden-Separatorplatte 1a, und eine Kathode 3b der MEA 3 kontaktiert die Kathoden-Separatorplatte 2a.

Die MEA 3 enthält Dichtungen 4. Ein Brenngasverteiler 5a und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Verteiler 5b erstrecken sich durch die MEA 3 in der Stapelrichtung des Stapels. Ein Brenngaskanal 6a ist zwischen der Kathoden-Separatorplatte 2b und der Anoden-Separatorplatte 1a ausgebildet, und der Brenngasverteiler 5a ist von dem Brenngaskanal 6a zu dem Brenngasfließfeld 8a hin durch eine Öffnung 7a verbunden. Auf ähnliche Weise ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 6b zwischen der Anoden-Separatorplatte 1b und der Kathoden-Separatorplatte 2a ausgebildet, und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Verteiler 5b ist von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 6b zu einem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 8b durch eine Öffnung 7b verbunden.

In dieser herkömmlichen Struktur weisen die Dichtungen 4 nicht zu der Öff nung der Nuten, die mit dem Brenngasverteiler 5a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Verteiler 5b verbunden sind, und es sind keine Überbrückungselemente erforderlich.

Normalerweise wird zu Befeuchtungszwecken im Brennstoffzellenstapel Wasser zugeführt, und das Wasser wird in der Stromerzeugungsreaktion erzeugt. Das Wasser kann in dem Brenngaskanal 6a oder dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 6b kondensieren. Somit werden der Brenngaskanal 6a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 6b leicht verschlossen. Demzufolge ist die Brenngaszufuhr und Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhr zur Stromerzeugungsfläche der MEA 3 unterbrochen, und die gewünschte Stromerzeugung kann nicht richtig durchgeführt werden.

Um nun sicherzustellen, dass das Wasser von dem Brenngaskanal 6a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 6b wirkungsvoll abgeführt wird, könnte man daran denken, den Fließfeldwiderstand (den Druckverlust) zu erhöhen. Wenn die Länge der Nuten in dem Brenngaskanal 6a oder dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 6b groß ist, wird die Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels groß.

Wenn die Breite oder die Fließfeldhöhe des Brenngaskanals 6a oder des Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanals 6b reduziert und die Querschnittsfläche reduziert wird, kann das Waser wegen der Oberflächenspannung des Wassers nicht wirkungsvoll abgeführt werden.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzelle und einen Separator mit einer einfachen und kompakten Struktur anzugeben, worin das Wasser effizient abgeführt wird und die gewünschte Stromerzeugungsleistung erreicht wird.

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die eine Einheitszelle aufweist. Die Einheitszelle enthält eine Elektrolytelektrodenanordnung sowie Separatoren, die die Elektrolytelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnung enthält ein Paar von Elektroden sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten. Ein Reaktionsgasdurchgang erstreckt sich durch die Separatoren, um zu erlauben, dass ein Brenngas und/oder ein sauestoffhaltiges Gas als Reaktionsgas durch den Reaktionsgasdurchgang hindurchfließt bzw. -fließen. Ein Reaktionsgasfließfeld ist in einem der Separatoren ausgebildet, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung fließt. Ferner trifft die Erfindung einen Separator für die Brennstoffzelle.

Der eine der Separatoren hat eine Kanaleinheit, die den Reaktionsgasdurchgang mit dem Reaktionsgasfließfeld verbindet. Die Kanaleinheit enthält eine erste Öffnung, die sich durch den einen der Separatoren an einer Position nahe dem Reaktionsgasdurchgang erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die erste Öffnung hindurchfließt, sowie eine zweite Öffnung, die sich durch den einen der Separatoren an einer Position nahe dem Reaktionsgasfließfeld hindurch erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die zweite Öffnung hindurchfließt.

Ferner ist es bevorzugt, dass ein Kanal, der den Reaktionsgasdurchgang mit der ersten Öffnung von der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung her verbindet, sowie ein Verbindungskanal, der die erste Öffnung mit der zweiten Öffnung an einer der einen Elektrodenoberfläche entgegengesetzten Oberfläche verbindet, vorgesehen sind.

Ferner ist es bevorzugt, dass ein sich entlang einer Separatoroberfläche erstreckendes Kühlmittelfließfeld für jede Einheitszelle oder für alle zwei oder mehr Einheitszellen ausgebildet ist.

Ferner ist bevorzugt der Verbindungskanal durch ein Dichtungselement ausgebildet.

Ferner ist bevorzugt, dass ein Dichtungselement zum Blockieren einer Flä che zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung an der einen Elektrodenoberfläche vorgesehen ist.

Ferner ist bevorzugt der Kanal durch ein Dichtungselement gebildet.

Die Elektrolytelektrodenanordnung hat bevorzugt eine der folgenden Strukturen: (i) eine Struktur, in der die Elektrolytelektrodenanordnung eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnete Elektrolytmembrane aufweist, wobei die Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode größer ist als die Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode; (ii) eine Struktur, in der die Elektrolytelektrodenanordnung ein Paar von Elektroden sowie eine zwischen dem Elektrodenpaar angeordnete Elektrolytmembrane aufweist, wobei die Oberflächenausdehnung der einen Elektrode des Paars, die Oberflächenausdehnung der anderen Elektrode des Paars und die Oberflächenausdehnung der Elektrolytmembrane gleich sind; und/oder (iii) eine Struktur, worin die Elektrolytelektrodenanordnung ein Elektrodenpaar sowie eine zwischen dem Elektrodenpaar angeordnete Elektrolytmembrane aufweist und die Oberflächenausdehnung der Elektrolytmembrane im Vergleich zu jener der jeweiligen Elektroden groß ist.

Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen in einer Stapelrichtung gebildet ist, und Separatoren, die eine Elektrolytelektrodenanordnung in jeder der Einheitszellen zwischen sich aufnehmen. Die Elektrolytelektrodenanordnung enthält Elektroden, und zwischen den Elektroden ist ein Elektrolyt angeordnet. Ein Reaktionsgasdurchgang erstreckt sich durch die Separatoren, um zu erlauben, dass ein Brenngas und/oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Reaktionsgas durch den Reaktionsgasdurchgang hindurchfließt bzw. -fließen. Ein Reaktionsgasfließfeld ist in einem der Separatoren ausgebildet, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung fließt.

Ein Kühlmittelfließfeld, das sieh entlang einer Separatoroberfläche erstreckt, ist jeweils für zwei oder mehr Einheitszellen ausgebildet, und ein gemeinsamer Kanal, der mit dem Reaktionsgasdurchgang verbunden ist, ist zwischen benachbarten ersten und zweiten Separatoren ausgebildet.

Der erste Separator hat ein erstes Reaktionsgasfließfeld, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung fließt. Eine erste Öffnung erstreckt sich durch den ersten Separator. Die erste Öffnung ist mit dem gemeinsamen Kanal verbunden, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die erste Öffnung hindurchfließt. Eine zweite Öffnung erstreckt sich durch den ersten Separator an einer Position nahe dem ersten Reaktionsgasfließfeld, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die zweite Öffnung hindurchfließt. Der zweite Separator hat ein zweites Reaktionsgasfließfeld, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der anderen Elektrolytelektrodenanordnung fließt, und eine Öffnung erstreckt sich durch den zweiten Separator, um den gemeinsamen Kanal mit dem zweiten Reaktionsgasfließfeld zu verbinden.

Ferner ist es bevorzugt, dass der gemeinsame Kanal durch ein Dichtungselement gebildet ist.

Ferner ist es in dem erfindungsgemäßen Separator bevorzugt, dass ein Brenngasfließfeld an der einen Oberfläche des Separators ausgebildet ist, um zu erlauben, dass Brenngas als Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung fließt, und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld ist an der anderen Oberfläche des Separators ausgebildet, um zu erlauben, dass sauerstoffhaltiges Gas als das andere Reaktionsgas entlang der anderen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung fließt.

Erfindungsgemäß hat der Separator erste und zweite Öffnungen. Zum Beispiel fließt das Reaktionsgas von dem Reaktionsgasdurchgang in die erste Öffnung hinein, und dann wird das Reaktionsgas von der zweiten Öffnung dem Reaktionsgasfließfeld zugeführt. Da in dieser Struktur die ersten und zweiten Öffnungen in der Kanaleinheit vorgesehen sind, die den Reaktionsgasdurchgang mit dem Reaktionsgasfließfeld verbindet, wird der Fließfeldwiderstand (der Druckverlust) wirkungsvoll erhöht. Somit wird das Wasser von der Kanaleinheit wirkungsvoll abgeführt.

Daher wird das Reaktionsgas der Stromerzeugungsfläche zuverlässig zugeführt, und es wird die gewünschte Stromerzeugungsleistung erreicht. Ferner ist die Länge der Kanaleinheit reduziert, wodurch die Struktur der Kanaleinheit einfach und kompakt wird.

Ferner ist in der Erfindung das Kühlmittelfließfeld für alle zwei oder mehr der Einheitszellen vorgesehen. Ferner ist der gemeinsame Kanal, der mit dem Reaktionsgasdurchgang verbunden ist, zwischen den ersten und zweiten Separatoren ausgebildet. Daher fließt das Reaktionsgas separat von dem gemeinsamen Kanal in die erste Öffnung des ersten Separators und die Öffnung des zweiten Separators. In dieser Struktur ist die Anzahl der Nuten in dem Fließfeld reduziert, und die Fließfeldstruktur wird wirkungsvoll vereinfacht.

Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen aufgezeigt sind.
1 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten einer Einheitszelle (Stromerzeugungszelle) einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle, entlang der Linie II-II in 1;
3 ist eine Vorderansicht eines kathodenseitigen Metallseparators der Brennstoffzelle;
4 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle entlang der Linie IV-IV in 1;
5 ist eine Vorderansicht eines anodenseitigen Metallseparators der Brennstoffzelle;
6 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle entlang der Linie VI-VI in 1;
7 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle;
9 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle entlang der Linie X-X in 9;
11 ist eine Vorderansicht eines anodenseitigen Metallseparators der Brennstoffzelle;
12 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle entlang Linie XIII-XIII in 12;
14 ist eine Vorderansicht eines anodenseitigen Metallseparators der Brennstoffzelle;
15 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung;
16 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle;
17 ist eine Vorderansicht eines anodenseitigen Metallseparators der Brennstoffzelle;
18 ist eine Vorderansicht eines Zwischenmetallseparators der Brennstoffzelle;
19 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle an einer Position nahe einem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang;
20 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
21 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen elektrochemischen Brennstoffzellenstapels.
1 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Einheitszelle 12 einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. 2 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 10, die eine Stapelstruktur aufweist, gebildet durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung, entlang der Linie II-II in 1.
Wie in 2 gezeigt, hat die Brennstoffzelle 10 eine Stapelstruktur, gebildet durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl der Einheitszellen 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung. Die Einheitszelle 12 enthält eine Membranelektrodenanordnung (Elektrolytelektrodenanordnung) 16 sowie einen anodenseitigen Metallseparator (den einen Separator) 18 und einen kathodenseitigen Metallseparator (den anderen Separator) 20, die die Membranelektrodenanordnung 16 zwischen sich aufnehmen. Zum Beispiel sind der anodenseitige Metallseparator 18 und der kathodenseitige Metallseparator 20 Stahlplatten, rostfreie Stahlplatten, Aluminiumplatten, plattierte Stahlbleche oder Metallplatten, deren Oberflächen einer korrosionshindernden Oberflächenbehandlung unterzogen worden sind.
Am einen Ende der Einheitszelle 12 in der horizontalen Richtung, die in 1 mit dem Pfeil B angegeben ist, sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang (Reaktionsgasdurchgang) 30b zum Abgeben von sauerstoffhaltigem Gas (Reaktionsgas), ein Kühlmittelabführdurchgang 32b zum Abführen von Kühlmittel sowie ein Brenngaszuführdurchgang (Reaktionsgasdurchgang) 34a zum Zuführen von Brenngas (Reaktionsgas), wie etwa wasserstoffhaltigem Gas, vertikal in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b, der Kühlmittelabführdurchgang 32b und der Brenngaszuführdurchgang 34a erstrecken sich durch die Einheitszelle 12 in der Stapelrichtung, die mit dem Pfeil A angegeben ist.
Am anderen Ende der Einheitszelle 12 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung sind ein Brenngasabführdurchgang (Reaktionsgasdurchgang) 34b zum Abführen des Brenngases, ein Kühlmittelzuführdurchgang 32a zum Zuführen des Kühlmittels sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang (Reaktionsgasdurchgang) 30a zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet. Der Brenngasabführdurchgang 34b, der Kühlmittelzuführdurchgang 32a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a erstrecken sich durch die Einheitszelle 12 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
Die Membranelektrodenanordnung 16 enthält eine Anode (die eine Elektrode) 38, eine Kathode (die andere Elektrode) 40 und eine Festpolymerelektrolytmembrane (Elektrolyt) 36, die zwischen der Anode 38 und der Kathode 40 angeordnet ist. Die Festpolymerelektrolytmembrane 36 ist zum Beispiel hergestellt durch Imprägnieren einer dünnen Membrane aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser. Die Oberflächenausdehnung der Anode 38 ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Kathode 40.
Die Anode 38 und die Kathode 40 haben jeweils eine Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt), wie etwa Kohlepapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht gezeigt) aus Platinlegierung, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 38 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 40 sind auf beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembrane 36 jeweils ausgebildet.
Wie in den 1, 3 und 4 gezeigt, hat der kathodenseitige Metallseparator 20 ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (Reaktionsgasfließfeld) 42 auf seiner Oberfläche 20a, die zur Membranelektrodenanordnung 16 weist. Zum Beispiel hat das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 ein Serpentinenmuster, um zu erlauben, dass das sauerstoffhaltige Gas in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung hin- und herfließt und sich dabei nach unten bewegt. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b verbunden. Brücken 43a, 43b sind nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b ausgebildet, um den Einlass und den Auslass des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 42 zu überdecken (siehe 3).
Wie in 5 gezeigt, hat der anodenseitige Metallseparator 18 ein Brenngasfließfeld (Reaktionsgasfließfeld) 44, wie später beschrieben, auf seiner Oberfläche 18a, die zu der Membranelektrodenanordnung 16 weist. Das Brenngasfließfeld 44 hat ein Serpentinenmuster, um zu erlauben, dass das Brenngas in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung hin- und herfließt und sich dabei in der mit dem Pfeil C angegebenen Richtung nach unten bewegt. Das Brenngasfließfeld 44 ist mit dem Brenngaszuführdurchgang 34a und dem Brenngasabführdurchgang 34b verbunden.
Wie in den 1 und 6 gezeigt, ist ein Kühlmittelfließfeld 46 zwischen einer Oberfläche 18b des anodenseitigen Metallseparators 18 und einer Oberfläche 20b des kathodenseitigen Metallseparators 20 ausgebildet. Das Kühlmittelfließfeld 46 ist mit dem Kühlmittelzuführdurchgang 32a und dem Kühlmittelabführdurchgang 32b verbunden. Das Kühlmittelfließfeld 46 enthält gerade Nuten, die sich entlang den Separatoroberflächen in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung erstrecken. Das Kühlmittelfließfeld 46 ist für jede der Einheitszellen 12 vorgesehen, oder für jeweils zwei oder mehr der Einheitszellen 12.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, ist ein erstes Dichtungselement 50 integral an den Oberflächen 20a, 20b des kathodenseitigen Metallseparators 20 ausgebildet, um das Außenende des kathodenseitigen Metallseparators 20 herum.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält das erste Dichtungselement 50 einen ersten ebenen Abschnitt 52, der integral an der Oberfläche 20a des kathodenseitigen Metallseparators 20 ausgebildet ist, und einen zweiten ebenen Abschnitt 54, der integral an der Oberfläche 20b des kathodenseitigen Metallseparators 20 ausgebildet ist. Der zweite ebene Abschnitt 54 ist breiter als der erste ebene Abschnitt 52.
Wie in 2 gezeigt, ist der erste ebene Abschnitt 52 um die Membranelektrodenanordnung 16 herum ausgebildet und mit Abstand außerhalb vom Außenende der Membranelektrodenanordnung 16 angeordnet. Der zweite ebene Abschnitt 54 ist um die Membranelektrodenanordnung 16 herum aus gebildet, so dass der zweite ebene Abschnitt 54 mit einer vorbestimmten Fläche am Außenbereich der Kathode 40 in der Stapelrichtung überlappt. Wie in 3 gezeigt, ist der erste ebene Abschnitt 52 derart ausgebildet, dass der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a und der Sauerstoff haltiges-Gas-Abführdurchgang 30b mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 verbunden sind, und der zweite ebene Abschnitt 54 ist derart ausgebildet, dass der Kühlmittelzuführdurchgang 32a und der Kühlmittelabführdurchgang 32b mit dem Kühlmittelfließfeld 46 verbunden sind.
Wie in den 1, 2 und 5 gezeigt, ist ein zweites Dichtungselement 56 integral auf Oberflächen 18a, 18b des anodenseitigen Metallseparators 18 ausgebildet, um das Außenende des anodenseitigen Metallseparators 18 herum. Das zweite Dichtungselement 56 enthält eine Außendichtung 58a, die an der Oberfläche 18a nahe dem Außenende des anodenseitigen Metallseparators 18 vorgesehen ist. Ferner enthält das zweite Dichtungselement 56 eine Innendichtung 58b, die mit einem vorbestimmten Abstand innerhalb der Außendichtung 58a angeordnet ist.
Es können verschiedene Formen, wie etwa eine verjüngte Endform, eine trapezartige Form und eine halbzylindrische Form, als die Querschnittsformen der Außendichtung 58a und der Innendichtung 58b angewendet werden. Wie in 2 gezeigt, kontaktiert die Außendichtung 58a den ersten ebenen Abschnitt 52, der an dem kathodenseitigen Metallseparator 20 vorgesehen ist, und die Innendichtung 58b kontaktiert direkt die Festpolymerelektrolytmembrane 36 der Membranelektrodenanordnung 16.
Wie in 5 gezeigt, ist die Außendichtung 58a um den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a, den Kühlmittelzuführdurchgang 32a, den Brenngasabführdurchgang 34b, den Brenngaszuführdurchgang 34a, den Kühlmittelabführdurchgang 32b und den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b herum ausgebildet. Die Innendichtung 58b ist um das Brenngasfließfeld 44 herum ausgebildet. Das Außenende der Membranelektrodenanordnung 16 ist zwischen der Innendichtung 58b und der Außendichtung 58a angeordnet.
Eine der Außendichtung 58a entsprechende Außendichtung 58c und eine der Innendichtung 58b entsprechende Innendichtung 58d sind an der Oberfläche 18b des anodenseitigen Metallseparators 18 vorgesehen (siehe 1). Die Formen der Außendichtung 58c und der Innendichtung 58d sind jene der Außendichtung 58a und der Innendichtung 58b ähnlich.
Wie in 5 gezeigt, enthält die Außendichtung 58a eine Mehrzahl von Aufnehmern 60, die den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 verbinden, sowie eine Mehrzahl von Aufnehmern 62, die den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 verbinden. Die Aufnehmer 60 bilden einen Verbindungskanal 60a, und die Aufnehmer 62 bilden einen Verbindungskanal 62a.
Wie in den 1 und 5 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Aufnehmern 64, die den Kühlmittelzuführdurchgang 32a mit dem Kühlmittelfließfeld 46 verbinden, und eine Mehrzahl von Aufnehmern 66, die den Kühlmittelabführdurchgang 32b mit dem Kühlmittelfließfeld 46 verbinden, an der Oberfläche 18b des anodenseitigen Metallseparators 18 vorgesehen. Die Aufnehmer 64 bilden einen Verbindungskanal 64a, und die Aufnehmer 66 bilden einen Verbindungskanal 66a. Ferner sind eine Mehrzahl von Aufnehmern 68 nahe dem Brenngaszuführdurchgang 34a vorgesehen, und eine Mehrzahl von Aufnehmern 70 sind nahe dem Brenngasabführdurchgang 34b an der Oberfläche 18b des anodenseitigen Metallseparators 18 vorgesehen. Die Aufnehmer 68 bilden einen Einlassverbindungskanal 72, und die Aufnehmer 70 bilden einen Auslassverbindungskanal 74.
Der Brenngaszuführdurchgang 34a ist von der Außendichtung 58a an der Oberfläche 18a des anodenseitigen Metallseparators 18 umgeben. Die Aufnehmer 68 sind von der Außendichtung 58c und der Innendichtung 58d an der Oberfläche 18b des anodenseitigen Metallseparators 18 umgeben. Eine Mehrzahl erster Zuführlöcher (erster Öffnungen) 76a erstreckt sich durch einen Abschnitt zwischen den Aufnehmern 68 und dem Brenngaszuführdurchgang 34a, wo eine von der Außendichtung 58a umgebene Fläche und eine von der Außendichtung 58c und der Innendichtung 58d umgebene Fläche einander überlappen.
Eine Mehrzahl zweiter Zuführlöcher (zweiter Öffnungen) 76b erstreckt sich durch einen Abschnitt zwischen den Aufnehmern 68 und dem Brenngasfließfeld 44, wo eine von der Innendichtung 58b umgebene Fläche und eine von der Außendichtung 58c und der Innendichtung 58d umgebene Fläche einander überlappen.
Das heißt, die ersten Zuführlöcher 76a und die zweiten Zuführlöcher 76b bilden eine Kanaleinheit, die den Brenngaszuführdurchgang 34a mit dem Brenngasfließfeld 44 verbindet. Die Kanaleinheit kann drei oder mehr Zuführlöcher (nicht gezeigt) enthalten.
Eine Mehrzahl erster Abführlöcher (zweiter Öffnungen) 78a und eine Mehrzahl zweiter Abführlöcher (erster Öffnungen) 78b sind nahe den Aufnehmern 70 vorgesehen. Die ersten Abführlöcher 78a sind nahe dem Ende des Brenngasfließfelds 44 angeordnet, und die zweiten Abführlöcher 78b sind nahe dem Brenngasabführdurchgang 34b angeordnet.
Die ersten Abführlöcher 78a sind in einem Abschnitt dort vorgesehen, wo eine Fläche, die von der Innendichtung 58b an der Oberfläche 18a umgeben ist, und eine Fläche, die an der Außendichtung 58c und der Innendichtung 58d an der Oberfläche 18b umgeben ist, einander überlappen. Die zweiten Abführlöcher 78b sind in einem Abschnitt dort vorgesehen, wo eine Fläche, die von der Außendichtung 58a um den Brenngasabführdurchgang 34b an der Oberfläche 18a herum umgeben ist, und eine Fläche, die von der Außendichtung 58c und der Innendichtung 58d an der Oberfläche 18b umgeben ist, einander überlappen.
Wie in 2 gezeigt, bilden die ersten und zweiten Dichtungselemente 50, 56 einen Kanal 80, der sich von dem ersten Gaszuführdurchgang 34a zu den ersten Zuführlöchern 76a erstreckt. Ferner bilden die ersten und zweiten Dichtungselemente 50, 56 den Einlassverbindungskanal 72. Die ersten und zweiten Dichtungselemente 50, 56 blockieren eine Fläche zwischen den ersten und zweiten Zuführlöchern 76a, 76b gegenüber dem Einlassverbindungskanal 72.
Als Nächstes wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beschrieben.
Zuerst wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a zugeführt, und ein Brenngas wie etwa ein wasserstoffhaltiges Gas wird dem Brenngaszuführdurchgang 34a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol oder Öl den Kühlmittelzuführdurchgängen 32a zugeführt.
Somit fließt das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a in das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 des kathodenseitigen Metallseparators 20 durch den Verbindungskanal 60a (siehe 4). Das sauerstoffhaltige Gas fließt in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung in einem Serpentinenmuster entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 und bewegt sich dabei nach unten, um eine elektrochemische Reaktion an der Kathode 40 der Membranelektrodenanordnung 16 zu bewirken (siehe 1 und 3).
Wie in 2 gezeigt, fließt das Brenngas von dem Brenngaszuführdurchgang 34a zu der zur Anode 38 weisenden Oberfläche 18a. Dann fließt das Brenngas in die ersten Zuführlöcher 76a und wird dann vorübergehend der Oberfläche 18b zugeführt. An der Oberfläche 18b ist der Einlassverbindungskanal 72 durch die Aufnehmer 68 gebildet. Das Brenngas fließt durch den Einlassverbindungskanal 72 und fließt in die zweiten Zuführlöcher 76b zu der Oberfläche 18a hin. Das Brenngas wird dem Brenngasfließfeld 44 zugeführt. Dann fließt, wie in 5 gezeigt, das Brenngas in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung in einem Serpentinenmuster entlang dem Brenngasfließfeld 44 und bewegt sich dabei nach unten, um an der Anode 38 der Membranelektrodenanordnung 16 eine elektrochemische Reaktion zu bewirken.
Somit werden in jeder der Membranelektrodenanordnungen 16 das der Kathode 40 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 38 zugeführte Brenngas in elektrochemischen Reaktionen an den Katalysatorschichten der Kathode 40 und der Anode 38 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Das an der Kathode 40 verbrauchte sauerstoffhaltige Gas wird in den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b abgeführt und fließt in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung. Auf ähnliche Weise fließt das an der Anode 38 verbrauchte Brenngas in die ersten Abführlöcher 78a und fließt durch den Auslassverbindungskanal 74. Dann fließt das Brenngas in die zweiten Abführlöcher 78b. Das Brenngas wird in den Brenngasabführdurchgang 34b abgeführt und fließt in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung.
Ferner fließt, wie in 6 gezeigt, das dem Kühlmittelzuführdurchgang 32a zugeführte Kühlmittel durch den Verbindungskanal 64a in das Kühlmittelfließfeld 46, das zwischen dem anodenseitigen Metallseparator 18 und dem kathodenseitigen Metallseparator 20 ausgebildet ist. Das Kühlmittel fließt durch das Kühlmittelfließfeld 46 in der mit dem Pfeil B angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel die Membranelektrodenanordnung 16 gekühlt hat, wird das Kühlmittel in den Kühlmittelabführdurchgang 32b durch den Verbindungskanal 66a abgeführt (siehe 1).
In der ersten Ausführung hat der anodenseitige Metallseparator 18 zumindest die ersten und zweiten Zuführlöcher 76a, 76b zwischen dem Brenngaszuführdurchgang 34a und dem Einlass des Brenngasfließfelds 44. Das Brenngas von dem Brenngaszuführdurchgang 34a fließt durch den Kanal 80 hindurch, der an der Oberfläche 18a des anodenseitigen Metallseparators 18 ausgebildet ist, in die ersten Zuführlöcher 76a. Dann fließt das Brenngas durch den Einlassverbindungskanal 72 an der Oberfläche 18b und fließt in die zweiten Zuführlöcher 76b zu dem Brenngasfließfeld 44 hin.
Da somit in der Kanaleinheit (einschließlich dem Kanal 80 und dem durch die Aufnehmer 68 gebildeten Einlassverbindungskanal 72), die den Brenngaszuführdurchgang 34a mit dem Brenngasfließfeld 44 verbindet, die ersten und zweiten Zuführlöcher 76a, 76b vorgesehen sind, wird der Fließfeldwiderstand (Druckverlust) erhöht. Daher kann Wasser von der Kanaleinheit effizient abgeführt werden. Dementsprechend ist es möglich, das Brenngas der Anode 38 (der Stromerzeugungsfläche) geeignet zuzuführen, und es wird die gewünschte Stromerzeugungsleistung erreicht. Ferner wird eine Längenreduktion der Kanaleinheit erreicht, um eine einfache und kompakte Struktur zu bekommen.
Zumindest die ersten und zweiten Abführlöcher 78a, 78b sind zwischen dem Brenngasabführdurchgang 34b und dem Auslass des Brenngasfließfelds 44 ausgebildet. Daher wird der Fließfeldwiderstand in der Kanaleinheit, die das Brenngasfließfeld 44 mit dem Brenngasabführdurchgang 34b verbindet, effizient erhöht. Dementsprechend wird das Wasser aus der Kanaleinheit wirkungsvoll zu dem Brenngasabführdurchgang 34b abgeführt.
7 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten einer Einheitszelle 92 einer Brennstoffzelle 90 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. 8 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 90. Jene Bauelemente, die mit jenen der Brennstoffzelle 10 der ersten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine Beschreibung davon wird weggelassen. Ähnlich sind in den später beschriebenen dritten bis sechsten Ausführungen jene Bauteile, die mit jenen der Brennstoffzelle 10 der ersten Ausführung identisch sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine Beschreibung davon ist weggelassen.
Die Einheitszelle 92 enthält eine Membranelektrodenanordnung 94. Die Membranelektrodenanordnung 94 enthält eine Anode 38a, eine Kathode 40 sowie eine zwischen der Anode 38a und der Kathode 40 angeordnete Festpolymerelektrolytmembrane 36. Die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembrane 36, die Oberflächenausdehnung der Anode 38a und die Oberflächenausdehnung der Kathode 40 sind gleich.
9 ist eine Explosionsansicht von Hauptkomponenten einer Einheitszelle 102 einer Brennstoffzelle 100 gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung. 10 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 100.
Die Einheitszelle 102 enthält eine Membranelektrodenanordnung 104 sowie einen anodenseitigen Metallseparator 106 und einen kathodenseitigen Metallseparator 108, die die Membranelektrodenanordnung 104 zwischen sich aufnehmen. Die Membranelektrodenanordnung 104 enthält eine Anode 38, eine Kathode 40a und eine zwischen der Anode 38 und der Kathode 40a angeordnete Festpolymerelektrolytmembrane 36a. Die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembrane 36a ist größer als die Oberflächenausdehnung der Anode 38 und die Oberflächenausdehnung der Kathode 40a.
Wie in den 10 und 11 gezeigt, hat der anodenseitige Metallseparator 106 eine Dichtung 110 als Teil des zweiten Dichtungselements 56 auf dessen zur Anode 38 weisender Oberfläche 18a. Die Dichtung 110 ist in einer Fläche vorgesehen, die dem Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 36a der Membranelektrodenanordnung 104 entspricht.
Der kathodenseitige Metallseparator 108 hat eine Dichtung 112 als Teil des ersten Dichtungselements 50 auf dessen zur Kathode 40a weisender Oberfläche 20b. Die Dichtung 112 und die Dichtung 110 sind gegenüberliegend angeordnet, um das Außenende der Festpolymerelektrolytmembrane 36a zwischen sich aufzunehmen.
In den Brennstoffzellen 90, 100 gemäß den zweiten und dritten Ausführun gen sind die ersten und zweiten Zuführlöcher 76a, 76b in der Kanaleinheit vorgesehen, die den Brenngaszuführdurchgang 34a mit dem Brenngasfließfeld 44 verbinden, und die ersten und zweiten Abführlöcher 78a, 78b sind in der Kanaleinheit vorgesehen, die das Brenngasfließfeld 44 mit dem Brenngasabführdurchgang 34b verbinden. Daher lassen sich die gleichen Vorteile erzielen wie im Falle der Brennstoffzelle 10 der ersten Ausführung.
12 ist eine Explosionsperspektivansicht einer Einheitszelle 122 einer Brennstoffzelle 120 gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung. 13 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 122 am Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass.
Die Einheitszelle 122 enthält eine Membranelektrodenanordnung 16 sowie einen anodenseitigen Metallseparator 124 und einen kathodenseitigen Metallseparator 126, die die Membranelektrodenanordnung 16 zwischen sich aufnehmen. Der kathodenseitige Metallseparator 126 hat eine Mehrzahl erster Zuführlöcher (erster Öffnungen) 128a nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a sowie eine Mehrzahl zweiter Zuführlöcher (zweiter Öffnungen) 128b, die an Positionen vorgesehen sind, die mit Abstand von den ersten Zuführlöchern 128a zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 hin angeordnet sind.
An dem Ende des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 42 sind eine Mehrzahl erster Abführlöcher (zweiter Öffnungen) 130a ausgebildet, und eine Mehrzahl zweiter Abführlöcher (erster Öffnungen) 130b sind nahe dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b ausgebildet.
Wie in den 12 und 14 gezeigt, enthält das zweite Dichtungselement 56 in dem anodenseitigen Metallseparator 124 keinerlei Aufnehmer 60, 62. Das zweite Dichtungselement 56 ist um die ersten Zuführlöcher 128a und die zweiten Abführlöcher 130b herum ausgebildet.
Wie in 12 gezeigt, sind die Außendichtung 58c und die Innendichtung 58d derart ausgeformt, dass das sauerstoffhaltige Gas entlang der Oberfläche 18b an dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b fließt.
In der vierten Ausführung fließt, wie in 13 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a durch den Verbindungskanal 60a in die ersten Zuführlöcher 128a des kathodenseitigen Metallseparators 126. Das sauerstoffhaltige Gas fließt vorübergehend an der Seite des Kühlmittelfließfelds 46. Dann fließt das sauerstoffhaltige Gas in die zweiten Zuführlöcher 128b. Das sauerstoffhaltige Gas kehrt zur Seite des Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 42 zurück und wird dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 zugeführt.
Das sauerstoffhaltige Gas, das in der Reaktion in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 verbraucht ist, fließt in die ersten Abführlöcher 130a zur Seite des Kühlmittelfließfelds 46. Dann fließt das sauerstoffhaltige Gas in die zweiten Abführlöcher 130b und wird in den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b abgeführt.
Da in der vierten Ausführung in der Kanaleinheit, die den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 verbindet, die ersten und zweiten Zuführlöcher 128a, 128b vorgesehen sind, wird der Druckverlust in der Kanaleinheit erhöht, und das Wasser wird aus der Kanaleinheit wirkungsvoll abgeführt. Ferner sind keine Überbrückungsplatten für den kathodenseitigen Metallseparator 126 erforderlich.
15 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle 140 gemäß einer fünften Ausführung der Erfindung. 16 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 140.
Die Brennstoffzelle 140 ist durch Stapeln von Brennstoffzelleneinheiten 142 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gebildet. Jede der Brennstoffzelleneinheiten 142 enthält im Wesentlichen zwei Einheitszellen. Die Brenn stoffzelleneinheit 142 enthält einen anodenseitigen Metallseparator (ersten Separator) 146, eine erste Membranelektrodenanordnung 144, einen Zwischenmetallseparator (zweiten Separator) 148, eine zweite Membranelektrodenanordnung 16 sowie einen kathodenseitigen Metallseparator 20.
Die erste Membranelektrodenanordnung 144 enthält eine Anode 38b, eine Kathode 40b sowie eine Festpolymerelektrolytmembrane 36b, die zwischen der Anode 38b und der Kathode 40b angeordnet ist. Die Oberflächenausdehnung der Anode 38b ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Kathode 40b. Die entgegengesetzten Enden der Festpolymerelektrolytmembrane 36b, der Anode 38b und der Kathode 40b sind an oberen und unteren Positionen weggeschnitten, um die Oberflächenausdehnung zu reduzieren.
In dem anodenseitigen Metallseparator 146 sind eine Mehrzahl erster Zuführlöcher 150a sowie eine Mehrzahl zweiter Zuführlöcher 150b zwischen dem Brenngaszuführdurchgang 34a und dem Brenngasfließfeld 44 ausgebildet. Ähnlich sind eine Mehrzahl erster Abführlöcher 152a und eine Mehrzahl zweiter Abführlöcher 152b zwischen dem Brenngasfließfeld 44 und dem Brenngasabführdurchgang 34b ausgebildet.
Die ersten und zweiten Zuführlöcher 150a, 150b sind mit Abstand von dem Brenngaszuführdurchgang 34a zu dem Brenngasfließfeld 44 hin angeordnet, im Vergleich zu den ersten und zweiten Zuführlöchern 76a, 76b des anodenseitigen Metallseparators 18 der ersten Ausführung. Ähnlich sind die ersten und zweiten Abführlöcher 152a, 152b im Abstand von dem Brenngasabführdurchgang 34b zu dem Brenngasfließfeld 44 hin angeordnet, im Vergleich zu den ersten und zweiten Abführlöchern 78a, 78b der ersten Ausführung.
Wie in 17 gezeigt, sind die Außendichtung 58a und die Innendichtung 58b des zweiten Dichtungselements 154 an der zur Anode 38b weisenden Oberfläche 18a des anodenseitigen Metallseparators 146 vorgesehen. Die Formen der Außendichtung 58a und der Innendichtung 58b entsprechen der Form der ersten Membranelektrodenanordnung 144.
Wie in 15 gezeigt, haben die Außendichtung 58c und die Innendichtung 58d, die an der Oberfläche 18b des anodenseitigen Metallseparators 146 vorgesehen sind, vorbestimmte Formen, die Positionen oder dgl. der ersten und zweiten Zuführlöcher 150a, 150b und der ersten und zweiten Abführlöcher 152a, 152b entsprechen.
Der Zwischenmetallseparator 148 hat Zuführlöcher 150c nahe dem Brenngaszuführdurchgang 34a. Die Zuführlöcher 150c sind zu den ersten Zuführlöchern 150a in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung ausgerichtet. Ferner hat der Zwischenmetallseparator 148 Abführlöcher 152c nahe dem Brenngasabführdurchgang 34b. Die Abführlöcher 152c sind mit den zweiten Abführlöchern 152b in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung ausgerichtet. Der Zwischenmetallseparator 148 hat auf seiner zur ersten Membranelektrodenanordnung 144 weisenden Oberfläche 148a das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 und hat auf seiner zur zweiten Membranelektrodenanordnung 16 weisenden Oberfläche 148b das Brenngasfließfeld 44 (siehe 15, 18 und 19).
Wie in 18 gezeigt, hat der Zwischenmetallseparator 148 ein Dichtungselement 156, das eine Außendichtung 58a und eine Innendichtung 58b auf der Oberfläche 148b enthält. Wie in 16 gezeigt, ist ein mit dem Brenngaszuführdurchgang 34a verbundener gemeinsamer Kanal 158 zwischen dem anodenseitigen Metallseparator 146 und dem Zwischenmetallseparator 148 ausgebildet. Der gemeinsame Kanal 158 ist mit dem Einlassverbindungskanal 72 durch die ersten Zuführlöcher 150a verbunden und ist mit dem Brenngasfließfeld 44 des Zwischenmetallseparators 148 durch die Zuführlöcher 150c verbunden.
In der fünften Ausführung wird, wie in 16 gezeigt, das durch den Brenngaszuführdurchgang 34a hindurchfließende Brenngas in den gemeinsamen Kanal 158 zugeführt, der zwischen dem anodenseitigen Metallseparator 146 und dem Zwischenmetallseparator 148 ausgebildet ist, und fließt separat in die ersten Zuführlöcher 150a und die Zuführlöcher 150c.
Das Brenngas, das durch die ersten Zuführlöcher 150a hindurchgetreten ist, fließt von dem Einlassverbindungskanal 72 zur Anode 38b der ersten Membranelektrodenanordnung 144 durch die zweiten Zuführlöcher 150b. Das Brenngas, das durch die Zuführlöcher 150c hindurchgetreten ist, fließt durch das Brenngasfließfeld 44 des Zwischenmetallseparators 148 entlang der Anode 38 der zweiten Membranelektrodenanordnung 16.
Da somit in der fünften Ausführung die ersten und zweiten Zuführlöcher 150a, 150b in der Kanaleinheit vorgesehen sind, die den Brenngaszuführdurchgang 34a mit dem Brenngasfließfeld 44 verbindet, lassen sich die gleichen Vorteile erzielen wie in den Fällen der ersten bis vierten Ausführungen. Zum Beispiel wird der Druckverlust in der Kanaleinheit erhöht, und daher kann das Wasser wirkungsvoll abgeführt werden.
Ferner ist die Brennstoffzelleneinheit 142 hauptsächlich aus der die erste Membranelektrodenanordnung 144 enthaltenen ersten Einheitszelle und der die zweite Membranelektrodenanordnung 16 enthaltenen zweiten Einheitszelle aufgebaut. Eine Mehrzahl solcher Brennstoffzelleneinheiten 142 sind in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung aneinander gestapelt. Das heißt, dass das Kühlmittelfließfeld 46 für alle zwei oder mehr Einheitszellen vorgesehen ist.
Der mit dem Brenngaszuführdurchgang 34a verbundene gemeinsame Kanal 158 ist zwischen dem anodenseitigen Metallseparator 146 und dem Zwischenmetallseparator 148, die als erste und zweite Separatoren dienen, ausgebildet. Das Brenngas fließt von dem gemeinsamen Kanal 158 separat in die ersten Zuführlöcher 150a und die Zuführlöcher 150c, und dann wird das Brenngas den ersten und zweiten Membranelektrodenanordnungen 144, 16 jeweils zugeführt. Somit wird die Anzahl der Fließnuten reduziert und die Fließfeldstruktur wird wirkungsvoll vereinfacht.
In der fünften Ausführung können, wie im Falle der Brenngasseite, zwei Öffnungen (wie in der Brennstoffzelle 120 der vierten Ausführung) zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 30a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42 vorgesehen sein, sowie zwischen dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 30b und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 42. Ferner können die ersten und zweiten Membranelektrodenanordnungen 144, 16 eine Struktur haben, in der die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembrane, die Oberflächenausdehnung der Anode und die Oberflächenausdehnung der Kathode gleich sind, oder eine Struktur, worin die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembrane größer ist als die Oberflächenausdehnung der Anode und die Oberflächenausdehnung der Kathode, anstatt der Struktur, worin die Oberflächenausdehnung der Anode kleiner ist als die Oberflächenausdehnung der Kathode.
Obwohl ferner in den ersten bis fünften Ausführungen die Metallseparatoren verwendet werden, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Zum Beispiel können auch Kohlenstoffseparatoren verwendet werden. Als Beispiel zeigt 20 eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 170 gemäß einer sechsten Ausführung.
Die Brennstoffzelle 170 hat eine ähnliche Struktur wie die Brennstoffzelle 10 der ersten Ausführung. Jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Die Brennstoffzelle 170 mit Kohlenstoffseparatoren kann auch auf die zweiten bis fünften Ausführungen anwendbar sein. Die Brennstoffzelle 170 ist durch Stapeln der Einheitszellen 172 in der mit dem Pfeil A angegebenen Richtung gebildet. Die Einheitszelle 172 enthält eine zweite Membranelektrodenanordnung 16 sowie einen anodenseitigen Kohlenstoffseparator 174 und einen kathodenseitigen Kohlenstoffseparator 176, die die zweite Membranelektrodenanordnung 16 zwischen sich aufnehmen. Es versteht sich, dass zum Beispiel auch Flachdichtungen als Dichtungselemente in der Brennstoffzelle 170 verwendet werden können.
Eine erfindungsgemäße Einheitszelle (12) einer Brennstoffzelle (10) enthält eine Membranelektrodenanordnung (16) sowie einen anodenseitigen Metallseparator (18) und einen kathodenseitigen Metallseparator (20), die die Membranelektrodenanordnung (16) zwischen sich aufnehmen. Eine Mehrzahl erster Zuführlöcher (76a) und eine Mehrzahl zweiter Zuführlöcher (76b) erstrecken sich durch eine Kanaleinheit des anodenseitigen Metallseparators (18), und die Kanaleinheit verbindet den Brenngaszuführdurchgang (34a) mit einem Brenngasfließfeld (44). Brenngas von dem Brenngaszuführdurchgang (34a) fließt in die ersten Zuführlöcher (76a) und fließt durch einen Einlassverbindungskanal (72). Das Brenngas fließt in die zweiten Zuführlöcher (76b), die mit einem Ende des Einlassverbindungskanals (72) verbunden sind. Das Brenngas fließt zu der Seite der Membranelektrodenanordnung (16) und wird dann einer Anode (38) zugeführt.

Claims

Eine Einheitszelle (12) aufweisende Brennstoffzelle, wobei die Einheitszelle (12) eine Elektrolytelektrodenanordnung (16) sowie die Elektrolytelektrodenanordnung (16) zwischen sich aufnehmende Separatoren (18, 20) enthält, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (16) Elektroden (38, 40) sowie einen zwischen den Elektroden (38, 40) angeordneten Elektrolyten (36) enthält, wobei sich ein Reaktionsgasdurchgang (34a) durch die Separatoren (18, 20) hindurch erstreckt, um zu erlauben, dass ein Brenngas und/oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Reaktionsgas durch den Reaktionsgasdurchgang (34a) hindurchfließt, wobei ein Reaktionsgasfließfeld (44) in einem der Separatoren (18) ausgebildet ist, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (16) fließt, wobei der eine der Separatoren (18) eine Kanaleinheit aufweist, die den Reaktionsgasdurchgang (34a) mit dem Reaktionsgasfließfeld (44) verbindet; und wobei die Kanaleinheit eine erste Öffnung (76a) enthält, die sich durch den einen der Separatoren (18) an einer Position nahe dem Reaktionsgasdurchgang (34a) erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die erste Öffnung (76a) hindurchfließt, sowie eine zweite Öffnung (76b), die sich durch den einen der Separatoren (18) an einer Position nahe dem Reaktionsgasfließfeld (44) erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die zweite Öffnung (76b) fließt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (80), der den Reaktionsgasdurchgang (34a) mit der ersten Öffnung (76a) von der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (16) her verbindet, sowie ein Verbindungskanal (72), der die erste Öffnung (76a) mit der zweiten Öffnung (76b) an einer der einen Elektrodenoberfläche entgegengesetzten Oberfläche verbindet, vorgesehen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich entlang einer Separatoroberfläche erstreckendes Kühlmittelfließfeld für jede Einheitszelle (12) oder für alle zwei oder mehr Einheitszellen (12) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (72) durch ein Dichtungselement (50, 56) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungselement (50, 56) zum Blockieren eines Bereichs zwischen der ersten Öffnung (76a) und der zweiten Öffnung (76b) an der einen Elektrodenoberfläche vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (80) durch ein Dichtungselement (50, 56) gebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytelektrodenanordnung (16) eine erste Elektrode (38), eine zweite Elektrode (40) sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrode (38, 40) angeordnete Elektrolytmembrane (36) aufweist, und dass die Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode (40) größer ist als die Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode (38).
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytelektrodenanordnung (94) ein Paar von Elektroden (38a, 40) sowie eine zwischen dem Elektrodenpaar (38a, 40) angeordnete Elektrolytmembrane (36) aufweist, und dass die Oberflächenausdehnung der einen Elektrode des Paars (38a, 40), die Oberflächenausdehnung der anderen Elektrode des Paars (38a, 40) und die Oberflächenausdehnung der Elektrolytmembrane (36) gleich sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytelektrodenanordnung (104) ein Elektrodenpaar (38, 40a) sowie eine zwischen dem Elektrodenpaar (38, 40a) angeordnete Elektrolytmembrane (36a) aufweist und die Oberflächenausdehnung der Elektrolytmembrane (36a) im Vergleich zu jener der jeweiligen Elektroden (38a, 40) groß ist.
Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen in einer Stapelrichtung gebildet ist, wobei erste und zweite Separatoren (146, 148) eine Elektrolytelektrodenanordnung (144) in jeder der Einheitszellen zwischen sich aufnehmen, wobei die Elektrolytelektrodenanordnung (144) Elektroden (38b, 40b) sowie einen zwischen den Elektroden (38b, 40b) angeordneten Elektrolyten (36b) enthält, wobei sich ein Reaktionsgasdurchgang (34a) durch die Separatoren (146) erstreckt, um zu erlauben, dass ein Brenngas und/oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Reaktionsgas durch den Reaktionsgasdurchgang (34a) hindurchfließt, wobei ein Reaktionsgasfließfeld (44) in einem der Separatoren (146) ausgebildet ist, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (144) fließt, wobei ein sich entlang einer Separatoroberfläche erstreckendes Kühlmittelfließfeld (46) für alle zwei oder mehr Einheitszellen ausgebildet ist; wobei ein mit dem Reaktionsgasdurchgang (34a) verbundener gemeinsamer Kanal (158) zwischen und benachbart den ersten und zweiten Separatoren (146, 148) ausgebildet ist; wobei der erste Separator (146) ein erstes Reaktionsgasfließfeld (44) aufweist, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (144) fließt; wobei sich eine erste Öffnung (150a) durch den ersten Separator (146) erstreckt, wobei die erste Öffnung (150a) mit dem gemeinsamen Kanal (158) verbunden ist, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die erste Öffnung (150a) hindurchfließt; wobei sich eine zweite Öffnung (150b) durch den ersten Separator (146) an einer Position nahe dem ersten Reaktionsgasfließfeld (44) erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die zweite Öffnung (150b) hindurchfließt; wobei der zweite Separator (148) ein zweites Reaktionsgasfließfeld (44) aufweist, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der anderen Elektrolytelektrodenanordnung (16) fließt; und wobei sich eine Öffnung (150c) durch den zweiten Separator (148) hindurch erstreckt, um den gemeinsamen Kanal (158) mit dem zweiten Reaktionsgasfließfeld (44) zu verbinden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (150a) des ersten Separators (146) und die Öffnung (150c) des zweiten Separators (148) in der Stapelrichtung miteinander fluchten.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kanal (158) durch ein Dichtungselement (56, 156) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungskanal (72) vorgesehen ist, der die erste Öffnung (150a) mit der zweiten Öffnung (150b) an einer der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (144) entgegengesetzten Oberfläche verbindet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungselement (56, 156) zum Blockieren eines Bereichs zwischen der ersten Öffnung (150a) und der zweiten Öffnung (150b) an der einen Elektrodenoberfläche vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytelektrodenanordnung (144) eine erste Elektrode (38b), eine zweite Elektrode (40b) und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (38b, 40b) angeordnete Elektrolytmembran (36b) aufweist, und dass die Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode (40b) größer ist als die Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode (38b).
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytelektrodenanordnung (94) ein Elektrodenpaar (38a, 40) sowie eine zwischen dem Elektrodenpaar (38a, 40) angeordnete Elektrolytmembran (36) aufweist, und dass die Oberflächenausdehnung der einen Elektrode des Paars (38a, 40), die Oberflächenausdehnung der anderen Elektrode des Paars (38a, 40) und die Oberflächenausdehnung der Elektrolytmembran (36) gleich sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytelektrodenanordnung (104) ein Elektrodenpaar (38, 40a) sowie eine zwischen dem Elektrodenpaar (38, 40a) angeordnete Elektrolytmembran (36a) aufweist, und dass die Oberflächenausdehnung der Elektrolytmembran (36a) im Vergleich zu jener der jeweiligen Elektroden (38, 40a) groß ist.
Separator für eine Brennstoffzelle, wobei der Separator (18) benachbart einer Elektrolytelektrodenanordnung (16), die Elektroden (38, 40) und einen zwischen den Elektroden (38, 40) angeordneten Elektrolyten (36) aufweist, vorgesehen ist, wobei sich ein Reaktionsgasdurchgang (34a) durch den Separator (18) hindurch erstreckt, um zu erlauben, dass ein Brenngas und/oder ein sauerstoffhaltiges Gas als Reaktionsgas durch den Reaktionsgasdurchgang (34a) hindurchfließt, wobei ein Reaktionsgasfließfeld (44) in dem Separator ausgebildet ist, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (16) fließt, wobei der Separator (18) eine Kanaleinheit aufweist, die den Reaktionsgasdurchgang (34a) mit dem Reaktionsgasfließfeld (44) verbindet; und wobei die Kanaleinheit eine erste Öffnung (76a) enthält, die sich durch den Separator (18) an einer Position nahe dem Reaktionsgasdurchgang (34a) erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die erste Öffnung (76a) hindurchfließt, sowie eine zweite Öffnung (76b), die sich durch den Separator (18) an einer Position nahe dem Reaktionsgasfließfeld (44) erstreckt, um zu erlauben, dass das Reaktionsgas durch die zweite Öffnung (76b) hindurchfließt.
Separator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenngasfließfeld als das Reaktionsgasfließfeld (44) an einer Oberfläche des Separators (18) ausgebildet ist, um zu erlauben, dass ein Brenngas als das Reaktionsgas entlang der einen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (16) fließt; und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld (42) an der anderen Oberfläche des Separators (18) ausgebildet ist, um zu erlauben, dass ein sauerstoffhaltiges Gas als das andere Reaktionsgas entlang der anderen Elektrodenoberfläche der Elektrolytelektrodenanordnung (16) fließt.