DE102012210162A1

DE102012210162A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102012210162A1
Application number: DE102012210162A
Authority: DE
Inventors: Shuhei Goto; Kentaro Ishida; Tetsuya Nakamura; Narutoshi Sugita
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-06-16
Also published as: DE102012210162B4; CN102832396A; US8778554B2; CN102832396B; US20120321987A1; JP2013020945A; JP5422700B2

Abstract

Eine Brennstoffzelle (10) umfasst eine Membranelektrodenanordnung (18) und ein erstes Trennelement (14) und ein zweites Trennelement (16), die die Membranelektrodenanordnung (18) sandwichartig umgeben. Die Membranelektrodenanordnung (18) weist ein Harzrahmenelement (42) auf und ein Einlasspuffer (56) ist auf dem Harzrahmenelement (42) neben dem Brenngaszufuhrdurchlass (22a) vorgesehen. Der Einlasspuffer (56) umfasst eine erste Pufferfläche (56a) neben dem Brenngaszufuhrdurchlass (22a) und eine zweite Pufferfläche (56b) neben einem Brenngasströmungsfeld (32). Die Öffnungsabmessung der ersten Pufferfläche (56a) in einer Stapelrichtung ist größer als die Öffnungsabmessung der zweiten Pufferfläche (56b) in der Stapelrichtung.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung und Trennelemente umfasst, die die Membranelektrodenanordnung sandwichartig umgeben. Die Membranelektrodenanordnung umfasst ein Paar Elektroden und eine Elektrolytmembran, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Ein erstes Reaktantgasströmungsfeld ist in der Brennstoffzelle zum Zuführen eines Reaktantgases entlang einer Elektrodenoberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgebildet und ein zweites Reaktantgasströmungsfeld ist in der Brennstoffzelle zum Zuführen des anderen Reaktantgases zu der anderen Elektrodenoberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgebildet.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Zum Beispiel setzt eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA – membrane electrode assembly) ein, die eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran umfasst, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Die Elektrolytmembran ist eine Polymerionenaustauschmembran. Die Membranelektrodenanordnung ist sandwichartig zwischen Trennelementen zum Bilden einer Leistungserzeugungszelle (Einheitszelle) angeordnet. Im Allgemeinen sind zum Bilden eines Brennstoffzellenstapels zur Verwendung in einem Fahrzeug zehn bis hunderte von Einheitszellen zusammen gestapelt.
In den meisten Fällen weist die Brennstoffzelle, um ein Brenngas und ein sauerstoffhaltiges Gas als Reaktantgase zu der Anode und zu der Kathode jeder der gestapelten Leistungserzeugungszellen zuzuführen, eine sogenannte interne Manifoldstruktur auf. Das interne Manifold umfasst Reaktantgaszufuhrdurchlässe und Reaktantgasabgabedurchlässe, die sich durch die Leistungserzeugungszellen in der Stapelrichtung erstrecken. Die Reaktantgaszufuhrdurchlässe und die Reaktantgasabgabedurchlässe sind mit Einlässen und mit Auslässen der Reaktantgasströmungsfelder zum Zuführen von Reaktantgasen entlang der Elektrodenoberflächen verbunden.
In diesem Fall sind die Öffnungsflächen der Reaktantgaszufuhrdurchlässe und der Reaktantgasabgabedurchlässe relativ klein. Um daher derartigen Reaktantgasen zu ermöglichen, in den Reaktantgasströmungsfeldern ruhig zu strömen, ist es erforderlich, Puffer zum Dispergieren der Reaktantgase neben den Reaktantgaszufuhrdurchlässen und den Reaktantgasabgabedurchlässen vorzusehen.
Zum Beispiel wird in einer Brennstoffzelle, die in der japanischen Offenlegungspatentveröffentlichung Nr. 11-283637 (nachfolgend als herkömmliche Technik 1 bezeichnet) offenbart ist, wie in 18 gezeigt, ein Plattenkörper 1 vorgesehen. Auf beiden Seiten von beiden Enden des Körpers 1 sind ein erstes Durchgangsloch 2a, ein zweites Durchgangsloch 3a, ein drittes Durchgangsloch 4a als Zufuhrdurchlässe für ein Wasserstoffgas, ein Sauerstoffgas und Kühlwasser, und ein erstes Durchgangsloch 2b, ein zweites Durchgangsloch 3b und ein drittes Durchgangsloch 4b als Abgabedurchlässe für das Wasserstoffgas, das Sauerstoffgas und das Kühlwasser ausgebildet.
Ein Wasserstoffgasströmungsfeld 5 ist in einem zentralen Bereich des Körpers 1 ausgebildet. Das Wasserstoffgasströmungsfeld 5 ist mit dem ersten Durchgangsloch 2a und dem ersten Durchgangsloch 2b zum Ermöglichen, dass das Wasserstoffgas von dem ersten Durchgangsloch 2a zu dem Wasserstoffgasströmungsfeld 5 strömt und von dem Wasserstoffgasströmungsfeld 5 zu dem ersten Durchgangsloch 2b strömt, verbunden. Finnenartige Führungen 6 zum Führen des Wasserstoffgases von dem ersten Durchgangsloch 2a zu dem Wasserstoffgasströmungsfeld 5 und finnenartige Führungen 7 zum Führen des Wasserstoffgases von dem Wasserstoffgasströmungsfeld 5 zu dem ersten Durchgangsloch 2b sind in Bereichen des Körpers 1 vorgesehen, die in Kontakt mit dem Wasserstoffgas sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei der obigen herkömmlichen Technik 1 werden, um das Wasserstoffgas zu führen, die finnenartigen Führungen 6, 7 verwendet. Im Vergleich mit der Breite des Wasserstoffgasströmungsfelds 5 in der X-Richtung sind jedoch die Öffnungen der ersten Durchgangslöcher 2a, 2b deutlich klein. Bei der Struktur ist es nachteilig, dass es nicht möglich ist, das Wasserstoffgas gleichmäßig über die Breitenrichtung des Wasserstoffgasströmungsfelds 5 durch die Führungen 6, 7 zuzuführen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die Probleme dieser Bauart zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Brennstoffzelle anzugeben, die es ermöglicht, ein Reaktantgas gleichmäßig und zuverlässig zu dem gesamten Reaktantgasströmungsfeld durch einen Puffer von einem Reaktantgaszufuhrdurchlass zuzuführen und eine gewünschte Leistungserzeugungsleistung mit einer einfachen Struktur aufrechtzuerhalten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung und Trennelemente umfasst, die die Membranelektrodenanordnung sandwichartig umgeben. Die Membranelektrodenanordnung umfasst ein Paar Elektroden und eine Elektrolytmembran, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Ein erstes Reaktantgasströmungsfeld ist in der Brennstoffzelle zum Zuführen eines Reaktantgases entlang einer Elektrodenoberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgebildet und ein zweites Reaktantgasströmungsfeld ist in der Brennstoffzelle zum Zuführen des anderen Reaktantgases entlang der anderen Elektrodenoberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgebildet.
Ein erster Reaktantgasdurchlass ist zum Zuführen des einen Reaktantgases in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle ausgebildet und ein zweiter Reaktantgasdurchlass ist zum Zuführen des anderen Reaktantgases in der Stapelrichtung ausgebildet. Ein Puffer, der den ersten Reaktantgasdurchlass und das erste Reaktantgasströmungsfeld verbindet, ist zumindest auf einer Oberfläche der Membranelektrodenanordnung vorgesehen.
Der Puffer umfasst eine erste Pufferfläche neben dem ersten Reaktantgasdurchlass und eine zweite Pufferfläche neben dem ersten Reaktantgasströmungsfeld. Die Öffnungsabmessung der ersten Pufferfläche in der Stapelrichtung ist größer als die Öffnungsabmessung der zweiten Pufferfläche in der Stapelrichtung.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Öffnungsabmessung der ersten Pufferfläche neben dem ersten Reaktantgasdurchlass größer als die Öffnungsabmessung der zweiten Pufferfläche neben dem ersten Reaktantgasströmungsfeld. Bei der Struktur kann das Reaktantgas geeignet in der ersten Pufferfläche verteilt werden.
Daher strömt, zum Beispiel nachdem eines der von dem ersten Reaktantgaszufuhrdurchlass (erster Reaktantgasdurchlass) zu dem ersten Einlasspuffer (Puffer) zugeführten Reaktantgase gleichmäßig in der ersten Pufferfläche verteilt ist, das Reaktantgas entlang der zweiten Pufferfläche und das Reaktantgas wird zu dem ersten Reaktantgasströmungsfeld zugeführt.
Bei der Struktur wird das Reaktantgas von dem ersten Reaktantgasdurchlass durch den Puffer zu dem gesamten Reaktantgasströmungsfeld gleichmäßig und zuverlässig zugeführt. Mit einer solchen einfachen Struktur kann eine gewünschte Leistungserzeugungsleistung aufrechterhalten werden.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittansicht, die die Zelleinheit zeigt, geschnitten entlang der Linie II-II in 1;
3 ist eine Vorderansicht, die eine Membranelektrodenanordnung der Zelleinheit zeigt;
4 ist eine Querschnittansicht, die ein in der Membranelektrodenanordnung vorgesehenes Harzrahmenelement zeigt, geschnitten entlang einer Linie IV-IV in 3;
5 ist eine Querschnittansicht, die das Harzrahmenelement zeigt, geschnitten entlang einer Linie V-V in 1;
6 ist eine Querschnittansicht, die einen Einlasspuffer mit einer anderen Struktur zeigt;
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Querschnittansicht, die die Zelleinheit zeigt, geschnitten entlang einer Linie VIII-VIII in 7;
9 ist eine Vorderansicht, die eine Membranelektrodenanordnung der Zelleinheit zeigt;
10 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine Vorderansicht, die eine Membranelektrodenanordnung der Zelleinheit zeigt;
12 ist eine Querschnittansicht, die ein in der Membranelektrodenanordnung vorgesehenes Harzrahmenelement zeigt, geschnitten entlang einer Linie XII-XII in 11;
13 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine Ansicht, die eine Oberfläche einer Membranelektrodenanordnung der Zelleinheit zeigt;
15 ist eine Ansicht, die die andere Oberfläche der Membranelektrodenanordnung zeigt;
16 ist eine Ansicht, die einen Einlasspuffer eines Harzrahmenelements der Membranelektrodenanordnung zeigt;
17 ist eine Querschnittansicht, die das Harzrahmenelement zeigt, geschnitten entlang einer Linie XVII-XVII in 16; und
18 ist eine Ansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, die in der herkömmlichen Technik 1 offenbart ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie in 1 und 2 gezeigt, wird eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Stapeln einer Mehrzahl von Zelleinheiten (Leistungserzeugungszellen) 12 in einer horizontalen Richtung, die durch einen Pfeil A angegeben ist, oder in einer Richtung der Schwerkraft, die durch einen Pfeil C angegeben ist, gebildet. Zum Beispiel wird die Brennstoffzelle 10 als ein Brennstoffzellenstapel verwendet, der in einem Fahrzeug montiert ist.
Die Zelleinheit 12 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA-membrane electrode assembly) 18 und ein erstes Trennelement 14 und ein zweites Trennelement 16, die die Membranelektrodenanordnung 18 sandwichartig umgeben. An einem oberen Ende der Zelleinheit 12 in ihrer Längsrichtung, die durch einen Pfeil C angegeben ist, sind ein Zufuhrdurchlass (erster Reaktantgasdurchlass) 20a für ein sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases (Luft usw.) (eines Reaktantgases) und ein Brenngaszufuhrdurchlass (zweiter Reaktantgasdurchlass) 22a zum Zuführen eines Brenngases (des anderen Reaktantgases), wie beispielsweise eines wasserstoffhaltigen Gases (eines Wasserstoffgas usw.), vorgesehen. Der Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und der Brenngaszufuhrdurchlass 22a erstrecken sich durch die Zelleinheit 12 in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung.
An einem unteren Ende der Zelleinheit 12 in der durch den Pfeil C angegebenen Längsrichtung sind ein Brenngasabgabedurchlass (zweiter Reaktantgasdurchlass) 22b zum Abgeben eines Brenngases und ein Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas (erster Reaktantgasdurchlass) zum Abgeben des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen. Der Brenngasabgabedurchlass 22b und der Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken sich durch die Zelleinheit 12 in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung.
An einem Ende der Zelleinheit 12 in der durch einen Pfeil B angegebenen seitlichen Richtung ist ein Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a zum Zuführen eines Kühlmittels vorgesehen und an dem anderen Ende der Zelleinheit 12 in der seitlichen Richtung ist ein Kühlmittelabgabedurchlass 24b zum Abgeben des Kühlmittels vorgesehen. Der Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a und der Kühlmittelabgabedurchlass 24b erstrecken sich durch die Zelleinheit 12 in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung.
Zum Beispiel sind das erste Trennelement 14 und das zweite Trennelement 16 Metallplatten, wie beispielsweise Stahlplatten, rostfreie Stahlplatten, Aluminiumplatten, plattierte Stahlbleche oder Metallplatten mit antikorrosiven Oberflächen durch Oberflächenbehandlung. Das erste Trennelement 14 und das zweite Trennelement 16 weisen Kanten und Nuten im Querschnitt durch Wellen metallischer dünner Platten unter Druck auf. Anstelle der Metalltrennelemente können zum Beispiel Kohlenstofftrennelemente als das erste Trennelement 14 und das zweite Trennelement 16 verwendet werden.
Das erste Trennelement 14 weist ein Strömungsfeld (erstes Reaktantgasströmungsfeld) 26 eines sauerstoffhaltigen Gases auf seiner Oberfläche 14a auf, die der Membranelektrodenanordnung 18 zugewandt ist. Das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases verbindet den Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und den Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas. Das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases umfasst eine Mehrzahl von wellenförmigen Strömungsnuten, die sich in der durch den Pfeil C angegebenen Richtung erstrecken. Eine Oberfläche 14b des ersten Trennelements 14 bildet einen Teil eines Kühlmittelströmungsfelds 28, das den Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a und den Kühlmittelabgabedurchlass 24b verbindet. Das Kühlmittelströmungsfeld 28 wird durch Überlappen der Rückseite des Strömungsfelds 26 eines sauerstoffhaltigen Gases und der Rückseite eines Brenngasströmungsfelds (zweites Reaktantgasströmungsfeld) 32, das später zu beschreiben ist, gebildet.
Das zweite Trennelement 16 weist das Brenngasströmungsfeld 32 auf seiner Oberfläche 16a auf, die der Membranelektrodenanordnung 18 zugewandt ist. Das Brenngasströmungsfeld 32 verbindet den Brenngaszufuhrdurchlass 22a und den Brenngasabgabedurchlass 22b. Das Brenngasströmungsfeld 32 umfasst eine Mehrzahl von wellenförmigen Strömungsnuten, die sich in der durch den Pfeil C angegebenen Richtung erstrecken. Eine Oberfläche 16b des zweiten Trennelements 16 bildet einen Teil des Kühlmittelströmungsfelds 28, das den Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a und den Kühlmittelabgabedurchlass 24b verbindet.
Sofern notwendig können Dichtungselemente (nicht gezeigt) auf beiden Oberflächen 14a, 14b des ersten Trennelements 14 und auf beiden Oberflächen 16a, 16b des zweiten Trennelements 16 vorgesehen sein.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Membranelektrodenanordnung 18 eine Kathode 38, eine Anode 40 und eine Festpolymerelektrolytmembran 36, die zwischen der Kathode 38 und der Anode 40 angeordnet ist. Die Festpolymerelektrolytmembran 36 wird zum Beispiel durch Imprägnieren einer dünnen Membran aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser gebildet. Sowohl die Kathode 38 als auch die Anode 40 weist eine Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein Kohlenstoffpapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht (nicht gezeigt) aus einer auf porösen Kohlenstoffpartikeln geträgerten Platinlegierung auf. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht abgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 38 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 40 sind jeweils an beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembran 36 befestigt.
Der Oberflächeninhalt der Festpolymerelektrolytmembran 36 ist der gleiche wie der Oberflächeninhalt der Kathode 38 und der Oberflächeninhalt der Anode 40, oder größer als der Oberflächeninhalt der Kathode 38 und der Oberflächeninhalt der Anode 40. Ein Harzrahmenelement (Rahmen) 42 ist integral mit dem Außenumfangsende der Festpolymerelektrolytmembran 36 ausgebildet, z. B. durch Spritzgießen. Als das Harzmaterial wird zum Beispiel zusätzlich zu Allzweckkunststoff, technischer Kunststoff, supertechnischer Kunststoff oder dergleichen eingesetzt.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, sind der Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas, der Brenngaszufuhrdurchlass 22a, der Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a, der Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und der Brenngasabgabedurchlass 22b und der Kühlmittelabgabedurchlass 24b in dem Harzrahmenelement 42 der Membranelektrodenanordnung 18 ausgebildet.
Wie in 3 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Einlassverbindungsnuten 44a und eine Mehrzahl von Auslassverbindungsnuten 44b auf einer Oberfläche (eine Oberfläche) 42a des Harzrahmenelements 42 ausgebildet, wo die Kathode 38 vorgesehen ist. Die Einlassverbindungsnuten 44a sind mit dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas an einem Ende verbunden und mit dem Einlasspuffer 46 an dem anderen Ende verbunden. Die Auslassverbindungsnuten 44b sind mit Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas an dem einen Ende verbunden und mit dem Auslasspuffer 48 an dem anderen Ende verbunden.
Der Einlasspuffer 46 verbindet den Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases und der Auslasspuffer 48 verbindet das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases und den Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas.
Der Einlasspuffer 46 weist eine im Wesentlichen dreieckige Form auf und umfasst und eine erste Pufferfläche 46a neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 46b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die erste Pufferfläche 46a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Zufuhrdurchlasses 20a für sauerstoffhaltiges Gas. Die erste Pufferfläche 46a ist in der Richtung länglich, in der die Einlassverbindungsnuten 44a angeordnet sind.
Wie in 4 gezeigt, ist die Tiefe (die Öffnungsabmessung) D1 der ersten Pufferfläche 46a von der Oberfläche 42a in der durch den Pfeil A angegebenen Stapelrichtung größer als die Tiefe (die Öffnungsabmessung) D2 der zweiten Pufferfläche 46b in der Stapelrichtung, d. h. die Nuten der ersten Pufferfläche 46a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 46b (D1 > D2). Ansätze 50 sind in der ersten Pufferfläche 46a ausgebildet und eine Mehrzahl von Führungen 52, die die erste Pufferfläche 46a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 46b vorgesehen. Wie in 3 gezeigt, sind die Führungen 52 dünne Platten, die parallel zueinander im Wesentlichen in gleichen Intervallen in der durch den Pfeil B angegebenen Breitenrichtung des Strömungsfelds 26 eines sauerstoffhaltigen Gases angeordnet sind.
Der Auslasspuffer 48 weist eine im Wesentlichen dreieckige Form auf und umfasst eine erste Pufferfläche 48a neben dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 48b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die erste Pufferfläche 48a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Abgabedurchlasses 20b für sauerstoffhaltiges Gas. Die erste Pufferfläche 48a ist in der Richtung länglich, in der die Auslassverbindungsnuten 44b angeordnet sind.
Die Nuten der ersten Pufferfläche 48a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 48b. Ansätze 50 sind in der ersten Pufferfläche 48a ausgebildet und eine Mehrzahl von Führungen 52, die die erste Pufferfläche 48a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, sind in der zweiten Pufferfläche 48b vorgesehen.
Wie in 1 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Einlassverbindungsnuten 54a und eine Mehrzahl von Auslassverbindungsnuten 54b auf einer Oberfläche (der anderen Oberfläche) 42b des Harzrahmenelements 42 ausgebildet, wo die Anode 40 vorgesehen ist. Der Einlassverbindungsnuten 54a sind mit dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a an einem Ende verbunden und mit dem Einlasspuffer 56 an dem anderen Ende verbunden. Die Auslassverbindungsnuten 54b sind mit dem Brenngasabgabedurchlass 22b an einem Ende verbunden und mit dem Auslasspuffer 58 an dem anderen Ende verbunden.
Der Einlasspuffer 56 verbindet den Brenngaszufuhrdurchlass 22a und das Brenngasströmungsfeld 32. Der Auslasspuffer 58 verbindet das Brenngasströmungsfeld 32 und den Brenngasabgabedurchlass 22b.
Der Einlasspuffer 56 weist eine im Wesentlichen dreieckige Form auf und umfasst eine erste Pufferfläche (dritte Pufferfläche) 56a neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und eine zweite Pufferfläche (vierte Pufferfläche) 56b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die erste Pufferfläche 56a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Brenngaszufuhrdurchlasses 22a. Die erste Pufferfläche 56a ist in der Richtung länglich, in der die Einlassverbindungsnuten 54a angeordnet sind.
Wie in 5 gezeigt, ist die Tiefe (Abmessung der Öffnung) D3 der ersten Pufferfläche 56a von der Oberfläche 42b in der durch den Pfeil A angegebenen Stapelrichtung größer als die Tiefe (Abmessung der Öffnung) D4 der zweiten Pufferfläche 56b in der Stapelrichtung, d. h. die Nuten der ersten Pufferfläche 56a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 56b (D3 > D4). Ansätze 60 sind in der ersten Pufferfläche 56a ausgebildet und eine Mehrzahl von Führungen 62, die die erste Pufferfläche 56a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 56b vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, sind die Führungen 62 dünne Platten, die parallel zueinander im Wesentlichen in gleichen Intervallen in der durch den Pfeil B angegebenen Breitenrichtung des Brenngasströmungsfelds 32 angeordnet sind.
Der Auslasspuffer 58 weist eine im Wesentlichen dreieckige Form auf und umfasst eine erste Pufferfläche 58a neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b und eine zweite Pufferfläche 58b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die erste Pufferfläche 58a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Brenngasabgabedurchlasses 22b. Die erste Pufferfläche 58a ist in der Richtung länglich, in der die Auslassverbindungsnuten 54b angeordnet sind.
Die Nuten der ersten Pufferfläche 58a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 58b. Ansätze 60 sind in der ersten Pufferfläche 58a ausgebildet und eine Mehrzahl von Führungen 62, die die erste Pufferfläche 58a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 58b vorgesehen.
Ein Dichtungselement 64 ist auf beiden Oberflächen 42a, 42b des Harzrahmenteils 42 ausgebildet, z. B. durch Spritzgießen. Zum Beispiel ist das Dichtungselement 64 aus einem Dichtungsmaterial, Dämpfungsmaterial oder Verpackungsmaterial hergestellt, wie beispielsweise einem EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer – Ethylene Propylene Diene Monomer), einem NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk – nitrile butadiene rubber), einem Fluorkautschuk, ein Siliziumkautschuk, einem Fluorsiliziumkautschuk, einem Butylkautschuk, einem Naturkautschuk, einem Styrolkautschuk, einem Chloroprenkautschuk oder einem Acrylkautschuk.
Wie in 3 gezeigt, ist auf der Oberfläche 42a das Dichtungselement 64 um den Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas, den Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases ausgebildet, während dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas ermöglicht wird, mit dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases verbunden zu werden. Ferner sind auf der Oberfläche 42a die Dichtungselemente 64 um den Brenngaszufuhrdurchlass 22a, den Brenngasabgabedurchlass 22b, den Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a und den Kühlmittelabgabedurchlass 24b getrennt ausgebildet.
Wie in 1 gezeigt, ist auf der Oberfläche 42b das Dichtungselement 64 um den Brenngaszufuhrdurchlass 22a, den Brenngasabgabedurchlass 22b und das Brenngasströmungsfeld 32 ausgebildet, während dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und dem Brenngasabgabedurchlass 22b ermöglicht wird, mit dem Brenngasströmungsfeld 32 verbunden zu werden. Ferner sind auf der Oberfläche 42b die Dichtungselemente 64 um den Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas, den Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas, den Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a und den Kühlmittelauslassdurchlass 24b getrennt ausgebildet.
Die Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 wird nachstehend beschrieben. Als erstes wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und ein Brenngas, wie beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, wird dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a zugeführt. Ferner wird reines Wasser, Ethylenglykol, Öl oder dergleichen dem Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a zugeführt.
Somit strömt, wie in 3 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas von dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas durch die Einlassverbindungsnuten 44a, die in dem Harzrahmenelement 42 der Membranelektrodenanordnung 18 ausgebildet sind, in den Einlasspuffer 46. Dann wird das sauerstoffhaltige Gas von dem Einlasspuffer 46 in das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases des ersten Trennelements 14 zugeführt (siehe 1). Das sauerstoffhaltige Gas bewegt sich entlang des Strömungsfelds 26 eines sauerstoffhaltigen Gases in der durch den Pfeil C angegebenen Richtung (in der Richtung der Schwerkraft) und das sauerstoffhaltige Gas wird der Kathode 38 der Membranelektrodenanordnung 18 zum Induzieren einer elektrochemischen Reaktion an der Kathode 38 zugeführt.
Währenddessen strömt, wie in 1 gezeigt, das Brenngas von dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a durch die Einlassverbindungsnuten 54a, die in dem Harzrahmenelement 42 der Membranelektrodenanordnung 18 ausgebildet sind, in den Einlasspuffer 56. Dann wird das Brenngas von dem Einlasspuffer 56 in das Brenngasströmungsfeld 32 des zweiten Trennelements 16 in der durch den Pfeil C angegebenen Richtung der Schwerkraft zugeführt und das Brenngas wird der Anode 40 der Membranelektrodenanordnung 18 zum Induzieren einer elektrochemischen Reaktion an der Anode 40 zugeführt wird.
Somit wird in der Membranelektrodenanordnung 18 das der Kathode 38 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 40 zugeführte Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten der Kathode 38 und der Anode 40 zum Erzeugen von Elektrizität verbraucht.
Dann strömt das an der Kathode 38 der Membranelektrodenanordnung 18 verbrauchte sauerstoffhaltige Gas von dem Auslasspuffer 48 durch die Auslassverbindungsnuten 44b und das sauerstoffhaltige Gas wird in den sauerstoffhaltigen Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas abgegeben (siehe 3). Ferner strömt, wie in 1 gezeigt, das an der Anode 40. der Membranelektrodenanordnung 18 verbrauchte Brenngas von dem Auslasspuffer 58 durch die Auslassverbindungsnuten 54b und das Brenngas wird in den Brenngasabgabedurchlass 22b abgegeben.
Wie in 1 gezeigt, strömt das dem Kühlmittelzufuhrdurchlass 24a zugeführte Kühlmittel in das Kühlmittelströmungsfeld 28, das zwischen dem ersten Trennelement 14 und dem zweiten Trennelement 16 ausgebildet ist, und strömt dann in der durch den Pfeil B angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel die Membranelektrodenanordnung 18 kühlt, wird das Kühlmittel in den Kühlmittelabgabedurchlass 24b abgegeben.
Bei der ersten Ausführungsform ist, wie in 3 gezeigt, der Einlasspuffer 46 neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas auf der Oberfläche 42a des Harzrahmenelements 42 vorgesehen. Der Einlasspuffer 46 umfasst die erste Pufferfläche 46a neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und die zweite Pufferfläche 46b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Tiefe D1 der ersten Pufferfläche 46a in der Stapelrichtung ist größer als die Tiefe D2 der zweiten Pufferfläche 46b in der Stapelrichtung. Das heißt, die Nuten der ersten Pufferfläche 46a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 46b (siehe 4).
Somit wird das von dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas zu dem Einlasspuffer 46 zugeführte sauerstoffhaltige Gas gleichmäßig von der ersten Pufferfläche 46a auf die zweite Pufferfläche 46b verteilt. Dann wird das sauerstoffhaltige Gas dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases zugeführt.
Ferner sind in der zweiten Pufferfläche 46b die Führungen 52, die die erste Pufferfläche 46a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, vorgesehen. Bei der Struktur strömt das sauerstoffhaltige Gas ruhig in der zweiten Pufferfläche 46b.
Somit wird, nachdem das sauerstoffhaltige Gas von der ersten Pufferfläche 46a zu der zweiten Pufferfläche 46b zugeführt und gleichmäßig verteilt ist, das sauerstoffhaltige Gas zu dem gesamten Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases gleichmäßig und zuverlässig über die durch den Pfeil B angegebene Breitenrichtung zugeführt.
Der Auslasspuffer 48 ist neben dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas auf der Oberfläche 42a des Harzrahmenelements 42 vorgesehen. Der Auslasspuffer 48 umfasst die erste Pufferfläche 48a neben dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und die zweite Pufferfläche 48b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Nuten der ersten Pufferfläche 48a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 48b.
Bei der Struktur strömt, nachdem sich das sauerstoffhaltige Gas von dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases durch die zweiten Pufferfläche 48b in die erste Pufferfläche 48a ruhig und gleichmäßig bewegt, das sauerstoffhaltige Gas durch die erste Pufferfläche 48a und das sauerstoffhaltige Gas wird in den Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas abgegeben. Somit wird eine gleichmäßige Verteilung des sauerstoffhaltigen Gases über die gesamte Leistungserzeugungsfläche des Strömungsfelds 26 eines sauerstoffhaltigen Gases erreicht.
Ferner ist, wie in 1 und 5 gezeigt, der Einlasspuffer 56 neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a auf der Oberfläche 42b des Harzrahmenelements 42 vorgesehen. Der Einlasspuffer 56 umfasst die erste Pufferfläche 56a neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und die zweite Pufferfläche 56b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Tiefe der D3 ersten Pufferfläche 56a in der Stapelrichtung ist größer als die Tiefe D4 der zweiten Pufferfläche 56b in der Stapelrichtung. Das heißt, die Nuten der ersten Pufferfläche 56a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 56b (siehe 5).
Somit wird das von dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a zu dem Einlasspuffer 56 zugeführte Brenngas gleichmäßig von der ersten Pufferfläche 56a auf die zweite Pufferfläche 56b verteilt und dann wird das Brenngas zu dem Brenngasströmungsfeld 32 zugeführt.
Ferner sind die Führungen 62, die die erste Pufferfläche 56a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, in der zweiten Pufferfläche 56b vorgesehen. Somit strömt das Brenngas ruhig in der zweiten Pufferfläche 56b.
Bei der Struktur wird, nachdem das Brenngas von der ersten Pufferfläche 56a zu der zweiten Puffer-Bereich 56b zugeführt und gleichmäßig verteilt ist, das Brenngas zu dem gesamten Brenngasströmungsfeld 32 über die durch den Pfeil B angegebene Breite gleichmäßig und zuverlässig zugeführt.
Der Auslasspuffer 58 ist neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b auf der Oberfläche 42b des Harzrahmenelements 42 vorgesehen. Der Auslasspuffer 58 umfasst die erste Pufferfläche 58a neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b und die zweite Pufferfläche 58b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Nuten der ersten Pufferfläche 58a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 58b.
Bei der Struktur strömt, nachdem sich das Brenngas von dem Brenngasströmungsfeld 32 durch die zweite Pufferfläche 58b in die erste Pufferfläche 58a ruhig und gleichmäßig bewegt, das Brenngas durch die erste Pufferfläche 58a und das Brenngas wird in den Brenngasabgabedurchlass 22b abgegeben. Somit wird eine gleichmäßige Verteilung des Brenngases in der gesamten Leistungserzeugungsfläche des Brenngasströmungsfelds 32 erreicht.
Daher können das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas gleichmäßig und zuverlässig zu dem gesamten Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases, das in dem ersten Trennelement 14 ausgebildet ist, und zu dem gesamten Brenngasströmungsfeld 32, das in dem zweiten Trennelement 16 ausgebildet ist, zugeführt werden. Entsprechend kann mit der einfachen Struktur eine gewünschte Leistungserzeugungsleistung der Brennstoffzelle 10 in vorteilhafter Weise aufrechterhalten werden.
Ferner sind bei der ersten Ausführungsform der Einlasspuffer 46 und der Auslasspuffer 48 für das sauerstoffhaltige Gas auf der Oberfläche 42a der Harzrahmenelements 42 ausgebildet und der Einlasspuffer 56 und der Auslasspuffer 58 für das Brenngas sind auf der Oberfläche 42b des Harzrahmenelements 42 ausgebildet.
Da das Harzrahmenelement 42 verwendet wird, können die Vorder- und die Rückseite (Oberflächen 42a, 42b) unterschiedliche Formen aufweisen. Das heißt, die Formen des Einlasspuffers 46 und des Auslasspuffers 48 und die Formen des Einlasspuffers 56 und des Auslasspuffers 58 können separat bzw. einfach wie gewünscht ohne gegenseitige Störungen bestimmt werden. Daher können zum Beispiel in den Oberflächen 42a, 42b die geraden Führungen oder die Ansätze ausgebildet werden oder sowohl die geraden Führungen als auch die Ansätze können in Kombination sofern notwendig ausgebildet werden.
Man sollte beachten, dass nur der Einlasspuffer 46 und der Auslasspuffer 48 für das sauerstoffhaltige Gas in dem Harzrahmenelement 42 vorgesehen sein können oder nur der Einlasspuffer 56 und der Auslasspuffer 58 für das Brenngas in dem Harzrahmenelement 42 vorgesehen sein können. Auch bei der später zu beschreibenden zweiten Ausführungsform können nur der Einlasspuffer und der Auslasspuffer für das sauerstoffhaltige Gas in dem Harzrahmenelement vorgesehen sein oder nur der Einlasspuffer und der Auslasspuffer für das Brenngas können in dem Harzrahmenelement vorgesehen sein.
Bei der ersten Ausführungsform sind die erste Pufferfläche 46a und die zweite Pufferfläche 46b des Einlasspuffers 46 nur in dem Harzrahmenelement 42 vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Das heißt, es ist ausreichend, dass die erste Pufferfläche 46a und die zweite Pufferfläche 46b im Wesentlichen zwischen dem Harzrahmenelement 42 und dem ersten Trennelement 14 vorgesehen sind. Zum Beispiel ist in 6 eine Pufferfläche 46a1 auf der Seite des Harzrahmenelements 42 vorgesehen und eine Pufferfläche 46a2, die eine Ausnehmung in einer Richtung bildet, die von der Pufferfläche 46a1 beabstandet ist, ist auf der Seite des ersten Trennelements 14 vorgesehen.
Die erste Pufferfläche 46a wird durch Kombination der Pufferfläche 46a1 und der Pufferfläche 46a2 gebildet, um die Tiefe D1 als die Öffnungsabmessung in der Stapelrichtung zu erhalten. Die Tiefe der Pufferfläche 46a1 kann die gleiche wie die Tiefe D2 der zweiten Pufferfläche 46b sein, so dass die Pufferfläche 46a1 und die zweite Pufferfläche 46b in der gleichen Ebene sind.
Ferner kann, wie in dem Fall des Einlasspuffers 46, in dem Auslasspuffer 48 zwischen dem Harzrahmenelement 42 und dem ersten Trennelement 14 die erste Pufferfläche 48a durch Vergrößern der Öffnungsabmessung in der Stapelrichtung vorgesehen sein und die zweite Pufferfläche 48b kann durch Verkleinern der Öffnungsabmessung in der Stapelrichtung vorgesehen sein.
Ferner können der Einlasspuffer 56 und der Auslasspuffer 58 die gleiche Struktur, wie sie oben beschrieben ist, aufweisen. Außerdem können die zweite und die anderen Ausführungsformen, die später zu beschreiben sind, die gleiche Struktur, wie sie oben beschrieben ist, aufweisen.
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit 72 einer Brennstoffzelle 70 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bestandteile, die identisch mit denen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert und ihre Beschreibungen werden weggelassen.
Die Zelleinheit 72 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA – membrane electrode assembly) 74 und ein erstes Trennelement 14 und ein zweites Trennelement 16, die die Membranelektrodenanordnung 74 sandwichartig umgeben. Wie in 7 und 8 gezeigt, umfasst die Membranelektrodenanordnung 74 eine Kathode 78, eine Anode 80 und eine Festpolymerelektrolytmembran 76, die zwischen der Kathode 78 und der Anode angeordnet ist.
Sowohl die Kathode 78 als auch die Anode 80 weist eine Gasdiffusionsschicht 78a, 80a, wie beispielsweise ein Kohlenstoffpapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht 78b aus einer Platinlegierung auf, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln geträgert ist. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 78a, 80a abgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht 78b der Kathode 78 und die Elektrodenkatalysatorschicht 80b der Anode 80 sind jeweils auf beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembran 76 befestigt.
Wie in 8 gezeigt, sind ein Einlasspuffer 82 und ein Auslasspuffer 84 in der Gasdiffusionsschicht 78a der Kathode 78 ausgebildet. Der Einlasspuffer 82 umfasst eine erste Pufferfläche 82a neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 82b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Tiefe der ersten Pufferfläche 82a in der Stapelrichtung ist größer als die Tiefe der zweiten Pufferfläche 82b in der Stapelrichtung. Das heißt, die Nuten der ersten Pufferfläche 82a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 82b (siehe 8).
Obwohl die erste Pufferfläche 82a einen Leerraum bildet, können nach Bedarf Ansätze in der ersten Pufferfläche 82a vorgesehen sein. Eine Mehrzahl von Führungen 86, die die erste Pufferfläche 82a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 82b vorgesehen.
Wie in 9 gezeigt, umfasst der Auslasspuffer 84 eine erste Pufferfläche 84a neben dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 84b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Nuten der ersten Pufferfläche 84a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 84b. Eine Mehrzahl von Führungen 86, die die erste Pufferfläche 84a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 84b vorgesehen.
Wie in 7 gezeigt, sind ein Einlasspuffer 88 und ein Auslasspuffer 90 in der Gasdiffusionsschicht 80a der Anode 80 ausgebildet. Der Einlasspuffer 88 umfasst eine erste Pufferfläche 88a neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und eine zweite Pufferfläche 88b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Tiefe der ersten Pufferfläche 88a in der Stapelrichtung ist größer als die Tiefe der zweiten Pufferfläche 88b in der Stapelrichtung. Das heißt, die Nuten der ersten Pufferfläche 88a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 88b. Eine Mehrzahl von Führungen 92, die die erste Pufferfläche 88a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 88b vorgesehen.
Der Auslasspuffer 90 umfasst eine erste Pufferfläche 90a neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b und eine zweite Pufferfläche 90b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Nuten der ersten Pufferfläche 90a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 90b. Eine Mehrzahl von Führungen 92, die die erste Pufferfläche 90a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 90b vorgesehen.
Ein erstes Dichtungselement 94 ist integral mit beiden Oberflächen 14a, 14b des ersten Trennelements 14 ausgebildet, z. B. durch Spritzgießen. Ein zweites Dichtungselement 96 ist integral mit beiden Oberflächen 16a, 16b des zweiten Trennelements 16 ausgebildet, z. B. durch Spritzgießen. Das erste Dichtungselement 94 und das zweite Dichtungselement 96 weisen die gleiche Struktur wie das bei der ersten Ausführungsform verwendete Dichtungselement 64 auf.
Bei der zweiten Ausführungsform weist die Gasdiffusionsschicht 78a den Einlasspuffer 82 und den Auslasspuffer 84 für das sauerstoffhaltige Gas auf und die Gasdiffusionsschicht 80a weist den Einlasspuffer 88 und den Auslasspuffer 90 für das Brenngas auf.
Bei der Struktur werden die gleichen Vorteile wie in den Fällen der ersten Ausführungsform erzielt. Zum Beispiel können das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas zu dem gesamten Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases und zu dem gesamten Brenngasströmungsfeld 32 gleichmäßig und zuverlässig zugeführt werden und mit der einfachen Struktur kann eine gewünschte Leistungserzeugungsleistung der Brennstoffzelle 70 aufrechterhalten werden.
10 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit 102 einer Brennstoffzelle 100 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bestandteile, die identisch mit denen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert und ihre Beschreibungen werden weggelassen.
Die Zelleinheit 102 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA – membrane electrode assembly) 104 und ein erstes Trennelement 14 und ein zweites Trennelement 16, die die Membranelektrodenanordnung (MEA – membrane electrode assembly) 104 sandwichartig umgeben. Wie in 11 gezeigt, sind ein Einlasspuffer 106 und ein Auslasspuffer 108 auf einer Oberfläche 42a des Harzrahmenelements 42 der Membranelektrodenanordnung 104 ausgebildet.
Der Einlasspuffer 106 umfasst eine erste Pufferfläche 106a neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 106b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Tiefe D1 der ersten Pufferfläche 106a in der Stapelrichtung ist größer als die Tiefe D2 der zweiten Pufferfläche 106b in der Stapelrichtung. Das heißt, die Nuten der ersten Pufferfläche 106a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 106b (siehe 12). Ansätze 110 sind in der zweiten Pufferfläche 106b ausgebildet.
Der Auslasspuffer 108 umfasst eine erste Pufferfläche 108a neben dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 108b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Nuten der ersten Pufferfläche 108a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 108b und Ansätze 110 sind in der zweiten Pufferfläche 108b ausgebildet.
Wie in 10 gezeigt, sind der Einlasspuffer 112 und der Auslasspuffer 114 auf der Oberfläche 42b des Harzrahmenelements 42 der Membranelektrodenanordnung 104 ausgebildet. Der Einlasspuffer 112 umfasst eine erste Pufferfläche 112a neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und eine zweite Pufferfläche 112b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Nuten der ersten Pufferfläche 112a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 112b und Ansätze 116 sind in der zweiten Pufferfläche 112b ausgebildet.
Der Auslasspuffer 114 umfasst eine erste Pufferfläche 114a neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b und eine zweite Pufferfläche 114b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Nuten der ersten Pufferfläche 114a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 114b. Ansätze 116 sind in der zweiten Pufferfläche 114b ausgebildet.
Bei der dritten Ausführungsform umfasst, wie in 11 gezeigt, der Einlasspuffer 106 die erste Pufferfläche 106a mit tiefen Nuten und die zweite Pufferfläche 106b mit flachen Nuten. Die Ansätze 50 und 110 sind in der ersten Pufferfläche 106a bzw. in der zweiten Pufferfläche 106b ausgebildet.
Daher wird das von dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas zu dem Einlasspuffer 106 zugeführte sauerstoffhaltige Gas geeignet von der ersten Pufferfläche 106a zu der zweiten Pufferfläche 106b verbreitet (dispergiert) und dann wird das sauerstoffhaltige Gas zu dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases zugeführt.
Somit wird, nachdem das sauerstoffhaltige Gas von der ersten Pufferfläche 106a zu der zweiten Pufferfläche 106b zugeführt und verbreitet ist, das sauerstoffhaltige Gas zuverlässig zu dem gesamten Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases über die durch den Pfeil B angegebenen Breitenrichtung zugeführt. Es ist besonders vorteilhaft in dem Fall, in dem der Einlasspuffer 106 eine Form aufweist, die eine Dispersion des Gases erfordert.
Auch in dem Auslasspuffer 108 werden die gleichen Vorteile erzielt. Ebenso sind auch in dem Brenngasströmungsfeld 32 der Einlasspuffer 112 und der Auslasspuffer 114 vorgesehen und das Brenngas kann geeignet zugeführt und dispergiert werden.
13 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleinheit 122 einer Brennstoffzelle 120 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bestandteile, die identisch mit denen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert und ihre Beschreibungen werden weggelassen.
Die Zelleinheit 122 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 128 und ein erstes Trennelement 124 und ein zweites Trennelement 126, die die Membranelektrodenanordnung 128 sandwichartig umgeben. An einem Ende der Zelleinheit 122 in der durch den Pfeil B angegebenen Längsrichtung sind ein Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und ein Brenngasabgabedurchlass 22b vorgesehen. An dem anderen Ende der Zelleinheit 122 in der Längsrichtung sind ein Brenngaszufuhrdurchlass 22a und ein Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen.
An beiden Enden der Zelleinheit 122 in der durch den Pfeil C angegebenen seitlichen Richtung ist ein Paar Kühlmittelzufuhrdurchlässe 24a auf einer Seite neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen. An beiden Enden der Zelleinheit 122 in der seitlichen Richtung ist ein Paar Kühlmittelabgabedurchlässe 24b auf der anderen Seite neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a vorgesehen.
Das erste Trennelement 124 weist ein Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases auf seiner Oberfläche 124a auf, die der Membranelektrodenanordnung 128 zugewandt ist. Ein Kühlmittelströmungsfeld 28 ist teilweise auf einer Oberfläche 124b des ersten Trennelements 124 ausgebildet. Das zweite Trennelement 126 weist ein Brenngasströmungsfeld 32 auf seiner Oberfläche 126a auf, die der Membranelektrodenanordnung 128 zugewandt ist, und das Kühlmittelströmungsfeld 28 ist teilweise auf einer Oberfläche 126b des zweiten Trennelements 126 ausgebildet.
Das zweite Trennelement 126 weist eine Mehrzahl von Zufuhrlöchern 130a neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und eine Mehrzahl von Abgabelöchern 130b neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b auf. Die Zufuhrlöcher 130a sind mit dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a auf der Seite der Oberfläche 126b verbunden und sind mit dem Brenngasströmungsfeld 32 auf der Seite der Oberfläche 126a verbunden. Ebenso sind die Abgabelöcher 130b mit dem Brenngasabgabedurchlass 22b auf der Seite der Oberfläche 126b verbunden und sind mit dem Brenngasströmungsfeld 32 auf der Seite der Oberfläche 126a verbunden.
Ein erstes Dichtungselement 132 ist integral mit den Oberflächen 124a, 124b des ersten Trennelements 124 um das Außenumfangsende des ersten Trennelements 124 ausgebildet. Ein zweite Dichtungselement 134 ist integral mit den Oberflächen 126a, 126b des zweiten Trennelements 126 um das Außenumfangsende des zweiten Trennelements 126 ausgebildet.
Die Membranelektrodenanordnung 128 umfasst ein Harzrahmenelement 136. Wie in den 13 bis 15 gezeigt, umfasst an beiden Enden in der durch den Pfeil B angegebenen Längsrichtung das Harzrahmenelement 136 Verlängerungen 136a, 136b, die jeweils in Richtung zu dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und zu dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas vorstehen, und Verlängerungen 136c, 136d, die jeweils in Richtung zu dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und zu dem Brenngasabgabedurchlass 22b vorstehen.
Die Stirnflächen der Verlängerungen 136a, 136b sind parallel zu der inneren Wandfläche des Zufuhrdurchlasses 20a für sauerstoffhaltiges Gas und der inneren Wandfläche des Abgabedurchlasses 20b für sauerstoffhaltiges Gas. Die Stirnflächen der Verlängerungen 136c, 136d sind parallel zu der inneren Wandfläche des Brenngaszufuhrdurchlasses 22a und der inneren Wandfläche des Brenngasabgabedurchlasses 22b.
Wie in 14 gezeigt sind ein Einlasspuffer 138 und ein Auslasspuffer 140 auf einer Oberfläche 128a des Harzrahmenelements 136 vorgesehen, wo die Kathode 38 vorgesehen ist. Der Einlasspuffer 138 umfasst eine erste Pufferfläche 138a neben dem Zufuhrdurchlass 20a für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 138b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases.
Die Nuten der ersten Pufferfläche 138a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 138b. Die erste Pufferfläche 138a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Zufuhrdurchlasses 20a für sauerstoffhaltiges Gas und Ansätze 141a sind in der ersten Pufferfläche 138a ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Führungen 142, die die erste Pufferfläche 138a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 138b vorgesehen. Die Führungen 142 sind von der ersten Pufferfläche 138a zu dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases nach unten geneigt und parallel zueinander in gleichen Intervallen angeordnet.
Wie in gezeigt. 16, weist jede der Führungen 142 ein Ende 142a auf, das an einer Position neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases abgeschlossen ist. Eine zentrale Position O1 wird zwischen den benachbarten Enden 142a bestimmt. Vorsprünge 144 zum Verhindern einer Verformung sind zwischen den Enden 142a vorgesehen, wobei sich jeder Vorsprung 144 an einer Position befindet, die von der zentralen Position O1 um einen Abstand S1 in einer Richtung (angegeben durch einen Pfeil C1) versetzt ist, in der die Führungen 142 relativ zu der Strömungsrichtung (angegeben durch einen Pfeil B) des Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases geneigt sind. Der Vorsprung 144 weist eine zylindrische Form auf und weist die gleiche Höhe wie die Führungen 142 auf (siehe 17). Die Stirnflächen der Vorsprünge 144 sind mit den Stirnflächen der Führungen 142 ausgerichtet (siehe 16) Wie in 14 gezeigt, umfasst der Auslasspuffer 140 eine erste Pufferfläche 140a neben dem Abgabedurchlass 20b für sauerstoffhaltiges Gas und eine zweite Pufferfläche 140b neben dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases. Die Nuten der ersten Pufferfläche 140a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 140b. Die erste Pufferfläche 140a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Abgabedurchlasses 20b für sauerstoffhaltiges Gas und Ansätze 141b sind in der ersten Pufferfläche 140a ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Führungen 142, die die erste Pufferfläche 140a und das Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 140b vorgesehen. Die Führungen 142 sind von der ersten Pufferfläche 140a zu dem Strömungsfeld 26 eines sauerstoffhaltigen Gases nach oben geneigt und parallel zueinander in gleichen Intervallen angeordnet. Vorsprünge 144 sind zwischen den Enden 142a der Führungen 142 vorgesehen.
Wie in 15 gezeigt, sind ein Einlasspuffer 146 und ein Auslasspuffer 148 auf einer Oberfläche 128b des Harzrahmenelements 136 vorgesehen, wo die Anode 40 vorgesehen ist. Der Einlasspuffer 146 umfasst eine erste Pufferfläche 146a neben dem Brenngaszufuhrdurchlass 22a und eine zweite Pufferfläche 146b neben dem Brenngasströmungsfeld 32.
Die Nuten der ersten Pufferfläche 146a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 146b. Die erste Pufferfläche 146a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Brenngaszufuhrdurchlasses 22a und Ansätze 150a sind in der ersten Pufferfläche 146a ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Führungen 152, die die erste Pufferfläche 146a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 146b vorgesehen. Die Führungen 152 sind von der ersten Pufferfläche 146a zu dem Brenngasströmungsfeld 32 nach unten geneigt und parallel zueinander in gleichen Intervallen angeordnet. Vorsprünge 154 sind zwischen den Enden 152a der Führungen 152 vorgesehen.
Der Auslasspuffer 148 umfasst eine erste Pufferfläche 148a neben dem Brenngasabgabedurchlass 22b und eine zweite Pufferfläche 148b neben dem Brenngasströmungsfeld 32. Die Nuten der ersten Pufferfläche 148a sind tiefer als die Nuten der zweiten Pufferfläche 148b. Die erste Pufferfläche 148a ist parallel zu der inneren Stirnfläche des Brenngasabgabedurchlasses 22b und Ansätze 150b sind in der ersten Pufferfläche 148a ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Führungen 152, die die erste Pufferfläche 148a und das Brenngasströmungsfeld 32 kontinuierlich verbinden, ist in der zweiten Pufferfläche 148b vorgesehen. Die Führungen 152 sind von der ersten Pufferfläche 148a zu dem Brenngasströmungsfeld 32 nach oben geneigt und parallel zueinander in gleichen Intervallen angeordnet. Vorsprünge 154 sind zwischen Enden 152a der Führungen 152 vorgesehen.
Wie in 16 gezeigt, weist jede der Führungen 152 eine Ende 152a auf, das an einer Position neben dem Brenngasströmungsfeld 32 abgeschlossen ist. Eine zentrale Position O2 wird zwischen den benachbarten Enden 152a der Führungen 152 bestimmt. Vorsprünge 154 zum Verhindern einer Verformung sind zwischen den Enden 152a vorgesehen, wobei sich jeder Vorsprung 154 an einer Position befindet, die von der zentralen Position O2 um einen Abstand S2 in einer Richtung (angegeben durch einen Pfeil C2) versetzt ist, in der die Führungen 152 relativ zu der Strömungsrichtung (angegeben durch eine Pfeil B) des Brenngasströmungsfelds 32 geneigt sind. Der Vorsprung 154 weist eine zylindrische Form auf und hat die gleiche Höhe wie die Führungen 152 (siehe 17). Die Stirnfläche der Vorsprünge 154 ist mit den Stirnflächen der Führungen 152 ausgerichteten.
Bei der vierten Ausführungsform werden die gleichen Vorteile wie in den Fällen der ersten bis dritten Ausführungsform erzielt. Ferner unterscheidet sich die Anzahl der Führungen 142 für das sauerstoffhaltige Gas von der Anzahl der Führungen 152 für das Brenngas und die Enden 142a der Führungen 142 sind zu den Enden der Führungen 152a 152 versetzt. Da somit ein relativ breiter, dünner Abschnitt in dem Harzrahmenelement 136 vorliegt, kann durch Vorsehen der Vorsprünge 144, 154, eine Verformung in dem Harzrahmenelement 136 in vorteilhafter Weise unterbunden werden.
Eine Brennstoffzelle (10) umfasst eine Membranelektrodenanordnung (18) und ein erstes Trennelement (14) und ein zweites Trennelement (16), die die Membranelektrodenanordnung (18) sandwichartig umgeben. Die Membranelektrodenanordnung (18) weist ein Harzrahmenelement (42) auf und ein Einlasspuffer (56) ist auf dem Harzrahmenelement (42) neben dem Brenngaszufuhrdurchlass (22a) vorgesehen. Der Einlasspuffer (56) umfasst eine erste Pufferfläche (56a) neben dem Brenngaszufuhrdurchlass (22a) und eine zweite Pufferfläche (56b) neben einem Brenngasströmungsfeld (32). Die Öffnungsabmessung der ersten Pufferfläche (56a) in einer Stapelrichtung ist größer als die Öffnungsabmessung der zweiten Pufferfläche (56b) in der Stapelrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-283637 [0005]

Claims

Brennstoffzelle umfassend eine Membranelektrodenanordnung (18) und Trennelemente (14, 16), die die Membranelektrodenanordnung (18) sandwichartig umgeben, wobei die Membranelektrodenanordnung (18) ein Paar Elektroden (38, 40) und eine Elektrolytmembran (36) umfasst, die zwischen den Elektroden (38, 40) angeordnet ist, wobei ein erstes Reaktantgasströmungsfeld (26) in der Brennstoffzelle zum Zuführen eines Reaktantgases entlang einer Elektrodenfläche der Membranelektrodenanordnung (18) ausgebildet ist und eine zweites Reaktantgasströmungsfeld (32) in der Brennstoffzelle zum Zuführen des anderen Reaktantgases entlang der anderen Elektrodenoberfläche der Membranelektrodenanordnung (18) ausgebildet ist, wobei ein erster Reaktantgasdurchlass (20a) zum Zuführen des einen Reaktantgases in einer Stapelrichtung der Brennstoffzelle ausgebildet ist und ein zweiter Reaktantgasdurchlass (22a) zum Zuführen des anderen Reaktantgases in der Stapelrichtung ausgebildet ist; ein Puffer (46), der den ersten Reaktantgasdurchlass (20a) und das erste Reaktantgasströmungsfeld (26) verbindet, zumindest auf einer Oberfläche der Membranelektrodenanordnung (18) vorgesehen ist; der Puffer (46) eine erste Pufferfläche (46a) neben dem ersten Reaktantgasdurchlass (20a) und eine zweite Pufferfläche (46b) neben dem ersten Reaktantgasströmungsfeld (26) umfasst; und die Öffnungsabmessung der ersten Pufferfläche (46a) in der Stapelrichtung größer ist als die Öffnungsabmessung der zweiten Pufferfläche (46b) in der Stapelrichtung.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein Harzrahmenelement (42) integral mit einem Außenumfang der Elektrode (38, 40) ausgebildet ist und der Puffer (46) auf dem Harzrahmenelement (42) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (78) eine Gasdiffusionsschicht (78a) umfasst und der Puffer (82) auf der Gasdiffusionsschicht (78a) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Führungen (52), die die erste Pufferfläche (46a) und das erste Reaktantgasströmungsfeld (26) kontinuierlich verbinden, in der zweiten Pufferfläche (46b) vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei jede der Führungen (142) ein Ende (142a) aufweist, das an einer Position neben dem ersten Reaktantgasströmungsfeld (26) abgeschlossen ist, und ein Vorsprung (144) zwischen den benachbarten Enden (142a) vorgesehen ist, wobei sich der Vorsprung (144) an einer Position befindet, die von einer zentralen Position zwischen den benachbarten Enden (142a) in einer Richtung, in der die Führungen (142) geneigt sind, relativ zu der Strömungsrichtung des ersten Reaktantgasströmungsfelds (26) versetzt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein anderer Puffer (56), der den zweiten Reaktantgasdurchlass (22a) und das zweite Reaktantgasströmungsfeld (32) verbindet, auf der anderen Oberfläche der Membranelektrodenanordnung (18) vorgesehen ist; der andere Puffer (56) eine dritte Pufferfläche (56a) neben dem zweiten Reaktantgasdurchlass (22a) und eine vierte Pufferfläche (56b) neben dem zweiten Reaktantgasströmungsfeld (32) umfasst; und die Öffnungsabmessung der dritten Pufferfläche (56a) in der Stapelrichtung größer ist als die Öffnungsabmessung der vierten Pufferfläche (56b) in der Stapelrichtung.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei eine Mehrzahl von Führungen (62), die die dritte Pufferfläche (56a) und das zweite Reaktantgasströmungsfeld (32) kontinuierlich verbinden, in der vierten Pufferfläche (56b) vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei jede der Führungen (152) ein Ende (152a) aufweist, das an einer Position neben dem zweiten Reaktantgasströmungsfeld (32) abgeschlossen ist, und ein Vorsprung (154) zwischen den benachbarten Enden (152a) vorgesehen ist, wobei sich der Vorsprung (154) an einer Position befindet, die von einer zentralen Position zwischen den benachbarten Enden (152a) in einer Richtung, in der die Führungen (152) geneigt sind, relativ zu der Strömungsrichtung des zweiten Reaktantgasströmungsfelds (32) versetzt ist.