-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Brennstoffzelle, die in der Lage ist, eine Diffusion eines Reaktionsgases zu verbessern und eine gleichmäßigere Flächenpressung einer Reaktionsfläche zu erzeugen, indem eine Kanalstruktur eines Brennstoffzellenseparators geändert wird.
-
HINTERGRUND
-
Typischerweise wird ein Metallseparator bei einer Brennstoffzelle angewendet, wobei der Metallseparator Kanäle für ein Reaktionsmittel und Kühlwasser, ein Paar Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layers – GDL) 12 zum Ermöglichen der Diffusion des Reaktionsmittels und eine Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly – MEA) 11, in der eine chemische Reaktion stattfindet und die zwischen dem Paar Gasdiffusionsschichten (GDLs) 12 angeordnet ist, aufweist. In dem Metallseparator sind Kanalteile 41, in denen das Reaktionsgas in der gleichen Richtung wie eine Strömungsrichtung des Reaktionsgases strömt, und Stegteile 42, die in Kontakt mit den GDLs 12 stehen, wiederholt angeordnet, und Durchgänge eines Anodenseparators 30 und eines Kathodenseparators 20 sind symmetrisch zueinander, so dass ein Raum zwischen dem Anodenseparator 30 und dem Kathodenseparator 20 als Kühlkanal verwendet wird, wie dies in 1 dargestellt ist.
-
Darüber hinaus, um die Leistung der Brennstoffzelle zu maximieren, kann es erforderlich sein, dass ein Kanalabstand der Separatoren 20 und 30 dicht ist, um eine Flächenpressung auf die GDL 12 und MEA 11 zu verbessern, und dann kann die GDL 12 in der Lage sein, dass sie eine konstante Durchlässigkeit/Permeabilität über eine gesamte Reaktionsfläche aufweist. Allerdings kann ein Verringern des Kanalabstandes der Separatoren 20 und 30 aufgrund eines Defekts, wie beispielsweise ein Riss oder ein Aufsprung, der während einer Herstellung auftritt, begrenzt werden, und die anderen die Leistung verschlechternden Faktoren können aufgrund solcher Defekte auftreten.
-
Zum Beispiel können sich die Diffusion von Reaktionsgas und die Abführungseigenschaften von erzeugtem Wasser verschlechtern. Wenn der Kanalabstand im Wesentlichen groß ist, kann eine Belastung/Beanspruchung auf den Stegteil 42 gerichtet werden, in dem der Separator und die GDL 12 miteinander in Kontakt kommen, so dass eine Flächenpressung nicht ausreichend gleichmäßig aufgebracht werden kann. Demzufolge kann eine poröse Struktur der GDL 12 zerstört werden, so dass sich die Durchlässigkeit der GDL 12 verschlechtern kann und sich die Diffusion des Reaktionsgases und eine Abführungseigenschaft von erzeugtem Wasser verschlechtern können. Ferner, wenn die Belastung in dem Kanalteil 41 verringert wird, kann die GDL 12 in den Kanalteil 41 eindringen, um eine Fluidität der Reaktionsmittelströmung zu verschlechtern.
-
Darüber hinaus können Schäden an einer Membran auftreten, wenn der Stegteil 42, in dem die Struktur der GDL 12 zerstört wird, und Kohlenstofffasern können in eine Membran eindringen, wodurch die Membran beschädigt wird. Außerdem kann eine Ungleichförmigkeit der elektrischen Leitfähigkeit auftreten. In dem Kanalteil 41, in dem die GDL 12 freigelegt ist, kann das Reaktionsgas gleichmäßig zugeführt werden, um eine aktive chemische Reaktion zu verursachen. Wenn jedoch die Flächenpressung zwischen der GDL 12 und der MEA 11 unzureichend ist, kann ein Kontaktwiderstand zunehmen, wodurch eine Bewegung von durch eine Reaktion erzeugten Elektronen gehemmt wird.
-
Die als Stand der Technik beschriebenen Gegenstände sind lediglich zum Fördern des Verständnisses für den Hintergrund der vorliegenden Erfindung vorgesehen und sollten nicht derart betrachtet werden, dass sie dem Stand der Technik entsprechen, der einem Durchschnittsfachmann bekannt ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle bereit, in der ein Kanal in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines Reaktionsgases gebildet ist; Öffnungsteile, die jeden Kanal durchdringen, in regelmäßigen Abständen in Wandflächen der Kanäle gebildet sind, um Strömungswege des Reaktionsgases zu bilden; und Separatoren, die einer Anode und einer Kathode entsprechen, in jedem Kanal gebildet sein können, um miteinander zu überlappen.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die umfassen kann: eine Katalysatorschicht, wobei Wasserstoffgas oder Luft durch ihre beiden Oberflächen dort eingeführt wird; einen ersten Separator, der an einer ersten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten Kanälen umfasst, um zu ermöglichen, dass ein erstes Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft strömen kann; und einen zweiten Separator, der an einer zweiten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen umfasst, die in einer Richtung senkrecht zu den ersten Kanälen angeordnet sind. Insbesondere kann jeder der zweiten Kanäle eine Mehrzahl von Lüftungsöffnungen umfassen, um zu ermöglichen, dass ein zweites Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft in einer Richtung senkrecht zu den zweiten Kanälen strömen kann.
-
Der erste Separator und der zweite Separator können in einer Zickzack-Form gebogen sein und deren Endabschnitte können jeweils an ersten Seitenflächen davon gebildet sein, und die gebogenen Abschnitte können mit der Katalysatorschicht in Kontakt kommen, um geschlossene Kreisläufe zwischen den jeweiligen Separatoren und der Katalysatorschicht zu bilden, wodurch die ersten und zweiten Kanäle erzeugt werden. Die Lüftungsöffnungen können in geneigten Flächen des zweiten Separators gebildet sein, die ein erstes Ende und ein zweites Ende des zweiten Separators verbinden, die gebogen sind, und die Lüftungsöffnungen können in vorbestimmten Abständen entlang einer Längsseite des zweiten Kanals gebildet sein.
-
Die Lüftungsöffnungen, die in einer beliebigen aus einer Mehrzahl von geneigten Flächen gebildet sind, können wahlweise mit den Lüftungsöffnungen, die in einer geneigten Fläche benachbart zu einer beliebigen der geneigten Flächen gebildet sind, angeordnet sein. Jede der in einer beliebigen von einer Mehrzahl von geneigten Flächen gebildete Lüftungsöffnung kann an einer Position gebildet sein, die einem im Wesentlichen zentralen/mittleren Abschnitt zwischen zwei Lüftungsöffnungen entspricht, die in der geneigten Fläche neben einer beliebigen der geneigten Flächen gebildet sind.
-
Die Brennstoffzelle kann ferner eine luftdichte Platte umfassen, die die zweite Seitenfläche von zumindest einem von dem ersten Separator und dem zweiten Separator abdeckt. Eine Kontaktfläche zwischen der ersten Seitenfläche des ersten Separators und der Katalysatorschicht kann größer als eine Kontaktfläche zwischen der zweiten Seitenfläche des ersten Separators und der luftdichten Platte sein.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine Struktur einer beispielhaften Brennstoffzelle im Stand der Technik;
-
2 zeigt einen Aufbau einer beispielhaften Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
3 zeigt eine Fluidströmung einer beispielhaften Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
4 zeigt eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
-
5 zeigt Ausgangsspannungen gemäß einem Luft-Äquivalentverhältnis der Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und der Brennstoffzelle im Stand der Technik.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
-
Nachstehend wird eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
-
2 zeigt eine beispielhafte Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle kann eingerichtet sein, um zu umfassen; eine Katalysatorschicht 100, aufweisend Wasserstoffgas oder Luft, die durch ihre beiden Oberflächen dort eingeführt werden; einen ersten Separater 200, der an einer ersten Seite der Katalysatorschicht 100 angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten Kanälen 210 umfasst, so dass ein erstes Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft strömen kann; und einen zweiten Separater 300, der an der zweiten Seite der Katalysatorschicht 100 angeordnet ist und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen 310 umfasst, die in einer Richtung senkrecht zu den ersten Kanälen 210 angeordnet sind. Insbesondere kann jeder der zweiten Kanäle 310 eine Mehrzahl von Lüftungsöffnungen 320 umfassen, so dass ein zweites Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft in einer Richtung senkrecht zu den zweiten Kanälen 310 strömen kann. Das erste Reaktionsmittel kann sich von dem zweiten Reaktionsmittel unterscheiden.
-
Darüber hinaus können Querschnitte des ersten Separators 200 und des zweiten Separators 300 in einer Zickzack-Form gebogen sein, um gebogene erste Enden 201 und 301 beziehungsweise zweite Enden 203 und 303 zu bilden, erste Seitenflächen des ersten Separators 200 und eines zweiten Separators 300 können mit der Katalysatorschicht 100 in Kontakt kommen und die ersten Enden 201 und 301, die gebogen sind, können mit der Katalysatorschicht 100 in Kontakt kommen, um geschlossene Kreisläufe zwischen den jeweiligen Separatoren 200 und 300 zu bilden, wodurch die ersten und zweiten Kanäle 210 und 310 gebildet werden.
-
Ferner kann die Katalysatorschicht 100 eine Anordnung sein, die gebildet ist aus einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 110 der Brennstoffzelle und einem Paar Gasdiffusionsschichten (GDLs), die mit beiden Oberflächen der Membranelektrodenanordnung verbunden sind, wie dies in 2 gezeigt ist. Insbesondere können die ersten und zweiten Kanäle 210 und 310 mit Außenflächen der Gasdiffusionsschicht 120 in Kontakt kommen. Das Wasserstoffgas kann in den ersten Kanälen 210 als das erste Reaktionsmittel strömen und Sauerstoffgas kann in den zweiten Kanälen 310 als das zweite Reaktionsmittel strömen. Ohne an bestimmte Beispiele gebunden zu sein, können Materialien oder Reaktionsmittel, die in den ersten und zweiten Kanälen 210 und 310 strömen, in Abhängigkeit von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung geändert werden.
-
Die ersten und zweiten Kanäle 210 und 310 können angeordnet sein, um miteinander zu überlappen, so dass eine gleichmäßige Flächenpressung auf die Katalysatorschicht 100 aufgebracht werden kann und eine Belastung auf eine Kontaktfläche verteilt werden kann, um eine Konzentration/Schwerpunktbildung der Belastung zu verhindern, wodurch eine Beschädigung der Katalysatorschicht 100 und eine Verschlechterung der Reaktivität verhindert werden. Die Lüftungsöffnung 320 kann in den geneigten Flächen/Oberflächen des zweiten Separators 300 gebildet sein, die das erste Ende 301 und das zweite Ende 303 des zweiten Separators 300, die zueinander gebogen sind, verbindet. Die Lüftungsöffnung kann in vorbestimmten Abständen entlang einer Längsseite des zweiten Kanals 310 gebildet sein. Die Lüftungsöffnungen 320, die in einer beliebigen von einer Mehrzahl von geneigten Oberflächen 302 gebildet sind, können mit den Lüftungsöffnungen 320, die in einer geneigten Oberfläche 302 neben einer der geneigten Oberflächen 302 gebildet sind, wechselseitig angeordnet sein.
-
3 zeigt eine Fluidströmung einer beispielhaften Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und ist eine Draufsicht von 2. Das Wasserstoffgas oder das Sauerstoffgas können in eine beliebige der Mehrzahl von Lüftungsöffnungen 320 eingeführt werden, das eingeführte Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas kann in die jeweiligen zweiten Kanäle 310 oder Räume zwischen den zweiten Kanälen 310 eingeführt werden. Das eingeführte Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas kann wiederholt in die Räume zwischen den zweiten Kanälen 310 und den jeweiligen zweiten Kanälen 310 durch die Lüftungsöffnungen 320 eingeführt werden.
-
Das eingeführte Wasserstoffgas und Sauerstoffgas kann sich in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung der zweiten Kanäle 310, das heißt, in einer Richtung, die parallel zu einer Längsrichtung der ersten Kanäle 210 verläuft, durch die Lüftungsöffnungen 320 bewegen und kann sich um einen vorbestimmten Abschnitt innerhalb der zweiten Kanäle bewegen, da die jeweiligen Lüftungsöffnungen 320 in vorbestimmten Abständen angeordnet sind und wahlweise mit den Lüftungsöffnungen 320 angeordnet sind, die in der geneigten Oberfläche 302 dazu benachbart gebildet sind. Als Folge können eine Reaktionsfläche und -Zeit mit der Katalysatorschicht 100 zunehmen. Ferner kann eine erhöhte Diffusion des Wasserstoffgases oder des Sauerstoffgases die Reaktionseffizienz auf das eingeführte Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas verbessern.
-
Insbesondere kann jede der in einer beliebigen der Mehrzahl von geneigten Oberflächen 302 gebildete Lüftungsöffnung 320 an einer Position gebildet sein, die einem im Wesentlichen zentralen/mittleren Abschnitt zwischen zwei Lüftungsöffnungen 320 entspricht, die in der geneigten Oberfläche 302 neben einer beliebigen der geneigten Oberflächen 302 gebildet sind. Da das eingeführte Wasserstoffgas oder die Luft Abstände zwischen den Lüftungsöffnungen 320 in Bezug auf alle der Lüftungsöffnungen 320 zueinander gleich machen kann, da sich die Gase durch die Mehrzahl von Lüftungsöffnungen 320 bewegen, kann die Gleichmäßigkeit der Diffusion aufrechterhalten werden und eine gleichmäßige Reaktivität kann über die gesamte Katalysatorschicht 100 erzeugt werden.
-
Eine Wirkung der Diffusion des Brennstoffzellenseparators in der vorliegenden Erfindung kann in deutlicher Weise aus 5 entnommen werden. 5 zeigt einen Graphen, der die Diffusion von eingeführter Luft, wenn die Luft in die zweiten Kanäle 310 eingeführt wird, und die Ausgangsspannungen gemäß einer Menge an zugeführter Luft im Stand der Technik und in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Da die Diffusion des Reaktionsgases in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und somit eine Fluidität/Fließfähigkeit von in die Brennstoffzelle zugeführtem Brennstoff verbessert werden kann, wird die Leistung möglicherweise nicht verringert, auch wenn eine verringerte Menge an Brennstoff zugeführt wird. Ferner, wie in 5 dargestellt, obwohl ein Luft-Äquivalentverhältnis verringert wird, kann eine Verringerungsbreite in einer von der Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgegebenen Spannung weniger als die der Brennstoffzelle im Stand der Technik betragen. Somit kann die Diffusion des Reaktionsgases in der vorliegenden Erfindung verbessert werden.
-
Unterdessen, wie in 2 gezeigt, kann die Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ferner eine luftdichte Platte 400 umfassen, die die zweite Seitenfläche von zumindest einer aus dem ersten Separator 200 und dem zweiten Separator 300 abdeckt. Die luftdichte Platte 400 kann mit der zweiten Seitenfläche des ersten Separators 200 oder des zweiten Separators 300, insbesondere dem gebogenen zweiten Ende 203 oder 303 in Kontakt kommen. Demzufolge können geschlossene Kreisläufe in einem Raum zwischen dem ersten Separator 200 und der luftdichten Platte 400 und einem Raum zwischen dem zweiten Separator 300 und der luftdichten Platte 400 gebildet werden, wodurch ein Weg für ein Kühlmittel gebildet wird, so dass es zwischen den ersten Kanälen 210 fließen/strömen kann, aber verhindert wird, dass das Kühlmittel in die Räume zwischen den zweiten Kanälen eingeführt wird.
-
Die luftdichte Platte 400 kann an einer der zweiten Seitenfläche des ersten Separators 200 und der zweiten Seitenfläche des zweiten Separators 300 vorgesehen sein. Die luftdichte Platte 400 kann eingerichtet sein, so dass die zweite Seitenfläche des ersten Separatorts 200 mit der ersten Seitenfläche der luftdichten Platte 400 in Kontakt kommen kann und die zweite Seitenfläche des zweiten Separators 300 mit der zweiten Seitenfläche der luftdichten Platte 400 in Kontakt kommen kann, wenn eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gestapelt werden. Alternativ kann die luftdichte Platte 400 an den zweiten Seitenflächen des ersten Separators 200 beziehungsweise des zweiten Separators 300 angeordnet werden, so dass sie sich gegenseitig kontaktieren, wenn die Mehrzahl von Brennstoffzellen gestapelt werden.
-
Die Anordnung der Katalysatorschicht 100, des ersten Separators 200, des zweiten Separators 300 und der luftdichten Platte 400, die oben beschrieben sind, können durch eine äußere Kraft gepresst werden, so dass sie in einem engen Kontakt gehalten werden können, und können ferner ganz oder teilweise miteinander verbunden werden, so dass die Brennstoffzelle einstückig/integral mit der Katalysatorschicht 100, dem ersten Separator 200, dem zweiten Separator 300 und der luftdichten Platte 400 gebildet werden kann. Verschiedene Verbindungsverfahren, wie beispielsweise ein Schweißverfahren, ein Klebeverfahren, ein Verschrauben/Verbolzen, ein Nietverfahren und dergleichen, können zum Verbinden der Komponenten verwendet werden.
-
4 zeigt eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Brennstoffzelle entlang der Linie A-A von 2. Insbesondere kann eine Kontaktfläche zwischen der ersten Seitenfläche des ersten Separators 200 und der Katalysatorschicht 100 größer sein als eine Kontaktfläche zwischen der zweiten Seitenfläche des ersten Separators 200 und der luftdichten Platte 400, wie dies in 4 dargestellt ist. Unterdessen kann der zweite Separator 300 eine Struktur aufweisen, in der ein Kühlmittel nicht strömen/fließen kann, da innere und äußere Abschnitte der zweiten Kanäle 310 aufgrund der Mehrzahl von Lüftungsöffnungen 320 miteinander in Verbindung stehen können. Demzufolge, um eine begrenzte Strömung des Kühlmittels auszugleichen, können die Größen/Ausmaße von Durchgängen, durch welche das Kühlmittel strömt, erhöht werden. Demzufolge kann die Kontaktfläche zwischen der ersten Seitenfläche des ersten Separators 200 und der Katalysatorschicht 100 eingerichtet sein, so dass sie größer als die Kontaktfläche zwischen der zweiten Seitenfläche des ersten Separators 200 und der luftdichten Platte 400 ist, um eine Menge des Kühlmittels zu erhöhen, das in dem Raum zwischen dem ersten Separator 200 und der luftdichten Platte 400 strömt, und um eine Fläche der Katalysatorschicht 100 zu erhöhen, die von einem Separater 200 gelagert wird, wodurch eine gleichmäßigere Flächenpressung auf die Katalysatorschicht 100 aufgebracht wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Brennstoffzelle mit der oben beschriebenen Struktur kann die auf die Katalysatorschicht 100 aufgebrachte Flächenpressung zunehmen und die Diffusion des Reaktionsgases kann verbessert werden, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle verbessert wird. Darüber hinaus können die ersten und zweiten Kanäle 210 und 310 zueinander senkrecht angeordnet werden, wodurch die strukturelle Stabilität der Brennstoffzelle verbessert wird.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert und verändert werden kann, ohne von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie dies durch die folgenden Ansprüche bestimmt wird.
