DE102015115897A1

DE102015115897A1 - Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015115897A1
Application number: DE102015115897.3A
Authority: DE
Inventors: Tomoo YOSHIZUMI; Takashi Kondou
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: KR101805260B1; CN105470538A; DE102015115897B4; CN105470538B; JP6119707B2; JP2016066517A; US10446857B2; US20160093901A1; KR20160036498A

Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst: eine Membranelektrodenanordnung (110); ein poröses Element (170), welches auf einer Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und eine erste Oberfläche (171), eine zweite Oberfläche (172) und einen Endoberflächenabschnitt (173) besitzt, wobei sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt (171UE, 172UE) der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte (180), welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte (150), welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Das poröse Element führt Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung und führt Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt zu einem Abführabschnitt (325) der Brennstoffzelle ab. Die erste Oberfläche besitzt einen ersten Bereich (171UA), welcher der Dichtplatte zugewandt ist und sich zwischen der Dichtplatte und einem zweiten Bereich (172UA) der zweiten Oberfläche befindet. Eine Hydrophilie des ersten Bereichs unterscheidet sich von dieser des zweiten Bereichs.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer 2012-123949 ( JP 2012-123949 A ) beschreibt eine Brennstoffzelle mit einem porösen Element, welches einen Strömungspfad ausbildet, um Oxidationsgas hin zu einer Membranelektrodenanordnung zu führen, einer Dichtplatte, welche auf einer Oberfläche des porösen Elements angeordnet ist, und einer Separatorplatte, welche auf der anderen Oberfläche des porösen Elements angeordnet ist. Diese Brennstoffzelle führt Wasser, das infolge der Leistungserzeugung produziert wird, über den durch das poröse Element ausgebildeten Strömungspfad nach außerhalb der Brennstoffzelle ab.
In dem durch das poröse Element ausgebildeten Strömungspfad kann jedoch in einem Abschnitt des porösen Elements, welches zwischen der Dichtplatte und der Separatorplatte aufgenommen ist, bedingt dadurch, dass das produzierte Wasser an sowohl der Dichtplatte als auch der Separatorplatte haftet, Wasser verbleiben. Wenn Wasser in diesem Abschnitt verbleibt, kann die Leistungserzeugungsfähigkeit aufgrund eines Druckverlusts des über diesen Abschnitt abgeführten Oxidations-Abgases abnehmen.
Kurzfassung der Erfindung
Die Erfindung kann in der nachstehend beschriebenen Form realisiert sein.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung; ein poröses Element mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche und einem Endoberflächenabschnitt, wobei sich die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des porösen Elements befinden, die erste Oberfläche auf einer kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt der ersten Oberfläche und einem Endseitenabschnitt der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte, welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte, welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das poröse Element derart konfiguriert ist, dass dieses Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung führt und Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt hin zu einem Abführabschnitt (325) der Brennstoffzelle abführt; und die erste Oberfläche einen ersten Bereich besitzt, welcher der Dichtplatte zugewandt ist, die zweite Oberfläche einen zweiten Bereich besitzt, der erste Bereich sich zwischen der Dichtplatte und dem zweiten Bereich befindet, und eine Hydrophilie bzw. Hydrophilität bzw. hydrophile Eigenschaft des ersten Bereichs unterschiedlich zu einer Hydrophilie des zweiten Bereichs ist. Gemäß dieser Struktur strömt Wasser, welches durch die Leistungserzeugung produziert wird, entlang derjenigen Seite, das heißt, der ersten Oberflächenseite oder der zweiten Oberflächenseite, welche die höhere Hydrophilie besitzt, und Oxidations-Abgas strömt auf der anderen Seite bei dem Abschnitt des porösen Elements, welches zwischen der Dichtplatte und der Separatorplatte aufgenommen ist. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser das Innere des porösen Elements blockiert und es ist möglich, eine Zunahme des Druckverlusts des über das Innere des porösen Elements abgegebenen Oxidations-Abgases zu verhindern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich ebenso auf eine Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung; ein poröses Element mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche und einem Endoberflächenabschnitt, wobei sich die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des porösen Elements befinden, die erste Oberfläche auf einer kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt der ersten Oberfläche und einem Endseitenabschnitt der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte, welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte, welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das poröse Element derart konfiguriert ist, dass dieses Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung führt und Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt hin zu einem Abführabschnitt der Brennstoffzelle abführt; und die Dichtplatte einen dritten Bereich besitzt, welcher dem porösen Element zugewandt ist, die Separatorplatte einen vierten Bereich besitzt, welcher sich über das poröse Element gegenüberliegend zu dem dritten Bereich der Dichtplatte befindet, und eine Hydrophilie des dritten Bereichs unterschiedlich zu einer Hydrophilie des vierten Bereichs ist. Gemäß dieser Struktur strömt Wasser, welches durch die Leistungserzeugung produziert wird, entlang derjenigen Seite, das heißt, der Seite der Dichtplatte oder der Seite der Separatorplatte, welche die höhere Hydrophilie besitzt, und Oxidations-Abgas strömt auf der anderen Seite bei dem Abschnitt des porösen Elements, welches zwischen der Dichtplatte und der Separatorplatte aufgenommen ist. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser den Strömungspfad blockiert, und es ist möglich, eine Zunahme des Druckverlusts des über diesen Strömungspfad abgeführten Oxidations-Abgases zu verhindern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ebenso eine Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung; ein poröses Element mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche und einem Endoberflächenabschnitt, wobei sich die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des porösen Elements befinden, die erste Oberfläche auf einer kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt der ersten Oberfläche und einem Endseitenabschnitt der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte, welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte, welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das poröse Element derart konfiguriert ist, dass dieses Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung führt und Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt hin zu einem Abführabschnitt der Brennstoffzelle abführt; und die Dichtplatte einen dritten Bereich besitzt, welcher dem porösen Element zugewandt ist, wobei der dritte Bereich einen fünften Bereich umfasst, welcher hydrophil behandelt ist, die Separatorplatte einen vierten Bereich besitzt, welcher dem dritten Bereich der Dichtplatte über das poröse Element gegenüberliegt, wobei der vierte Bereich einen sechsten Bereich umfasst, welcher hydrophil behandelt ist, und sich eine Fläche des fünften Bereichs von einer Fläche des sechsten Bereichs unterscheidet. Gemäß dieser Struktur strömt in dem durch das poröse Element ausgebildeten Strömungspfad entlang der Seite, bei welcher der hydrophil behandelte Bereich größer ist, hauptsächlich Wasser, welches durch die Leistungserzeugung produziert wird, der Seite der Dichtplatte und der Seite der Separatorplatte, und auf der anderen Seite strömt hauptsächlich Oxidations-Abgas. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser den Strömungspfad blockiert, und es ist möglich, eine Zunahme des Druckverlusts des über diesen Strömungspfad abgeführten Oxidations-Abgases zu verhindern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle. Dieses Herstellungsverfahren umfasst das Ausbilden einer Anordnung eines porösen Elements und einer Dichtplatte durch Anordnen der Dichtplatte entlang eines Endseitenabschnitts einer ersten Oberfläche des porösen Elements; das Durchführen einer Hydrophilie-Behandlung auf der gesamten Anordnung; und das Anordnen einer Membranelektrodenanordnung auf der ersten Oberfläche des porösen Elements und das Anordnen einer Separatorplatte auf einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Seiten des porösen Elements entsprechen, während der Endseitenabschnitt der ersten Oberfläche einem Abführabschnitt zum Abführen von Oxidations-Abgas zugewandt ist, auf der Anordnung, bei welcher die Hydrophilie-Behandlung durchgeführt wurde. Gemäß dieser Struktur wird ein erster Bereich der ersten Oberfläche des porösen Elements, welches der Dichtplatte zugewandt ist, abgedeckt, wenn die Hydrophilie-Behandlung durchgeführt wird. Daher ist es möglich, dass die Hydrophilie eines zweiten Bereichs höher als die Hydrophilie des ersten Bereichs ist.
Das Ausbilden der Brennstoffzelle unter Verwendung des porösen Elements, auf welchem diese Hydrophilie-Behandlung durchgeführt wurde, ermöglicht es, dass eine Zunahme des Druckverlusts von Oxidations-Abgas, welches über das Innere dieses porösen Elements abgeführt wird, verhindert wird.
Die Erfindung kann in verschiedenartigen Formen realisiert sein. Die Erfindung kann beispielsweise in Form eines Verfahrens zum Abführen von produziertem Wasser in einer Brennstoffzelle, einem in einer Brennstoffzelle verwendeten porösen Element und einem Herstellungsverfahren eines solchen realisiert sein.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin:
1 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt;
2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Einheitszelle der Brennstoffzelle ist;
3 eine erläuternde Ansicht der Struktur einer Membranelektroden- und Gasdiffusionsschichtanordnung ist;
4 eine erläuternde Ansicht eines porösen Elements und eines Rahmenelements aus Sicht einer Z-Richtung ist;
5 eine Schnittansicht eines Bereichs nahe eines Oxidations-Abgas-Verteilers bzw. einer Oxidations-Abgas-Sammelleitung der Einheitszelle ist;
6 eine erläuternde Ansicht ist, welche die Struktur des porösen Elements darstellt;
7A eine Draufsicht des porösen Elements mit einer angeordneten Dichtplatte ist;
7B eine Schnittansicht ist, welche einen Querschnitt entlang A-A in 7A darstellt;
8 eine erläuternde Ansicht ist, welche den Zustand des Inneren eines Oxidationsgas-Strömungspfads darstellt, wenn Leistung erzeugt wird;
9 eine erläuternde Ansicht ist, welche den Zustand des Inneren einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt;
10 eine Ansicht ist, welche einen Druckverlust von Oxidations-Abgas bei der beispielhaften Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel vergleicht;
11 eine Ansicht ist, welche eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
12 eine Ansicht ist, welche Einheitszellen von Brennstoffzellen gemäß modifizierten Beispielen der zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt;
13 eine Draufsicht ist, welche einen sechsten Bereich einer kathodenseitigen Separatorplatte darstellt; und
14 eine Ansicht ist, welche eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einem modifizierten Beispiel darstellt.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend ist eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform schematisch zeigt. Die Brennstoffzelle 10 besitzt eine gestapelte Struktur, bei welcher eine Mehrzahl von Einheitszellen 100 der Brennstoffzelle 10 in einer Z-Richtung (nachfolgend auch als die „Stapelrichtung” bezeichnet) zusammen gestapelt sind und zwischen einem Paar von Endplatten 230 und 240 aufgenommen sind. In der Brennstoffzelle 10 sind zwischen der Endplatte 230 auf der Seite des vorderen Endes und den Einheitszellen 100 eine Isolationsplatte 220 und eine Anschlussplatte 200 angeordnet, und eine Isolationsplatte 250 und eine Anschlussplatte 210 sind zwischen der Endplatte 240 auf der Seite des hinteren Endes und den Einheitszellen 100 angeordnet. Die Anschlussplatten 200 und 210 sind Kollektorplatten zum Aufnehmen bzw. Sammeln der durch die Einheitszellen 100 erzeugten Leistung und diese geben die gesammelte Leistung von Anschlüssen, nicht gezeigt, hin zu einer externen Vorrichtungen aus. Die Einheitszellen 100, die Anschlussplatten 200 und 210, die Isolationsplatten 220 und 250 und die Endplatten 230 und 240 besitzen jeweils eine Plattenstruktur mit einer im Allgemeinen rechtwinkligen Außengestalt und diese sind derart angeordnet, dass sich die lange Seite von jeder in einer X-Richtung (horizontalen Richtung) erstreckt und sich die kurze Seite von jeder in einer Y-Richtung (vertikalen oder senkrechten Richtung) erstreckt.
Die Endplatte 230, die Isolationsplatte 220, die Anschlussplatte 200 und die Einheitszellen 100 besitzen jeweils eine Mehrzahl von Öffnungen, die als Zuführ- und Abführöffnungen dienen. Diese Öffnungen stehen allesamt miteinander in Verbindung, um Verteiler bzw. Sammelleitungen 310, 315, 320, 325, 330 und 335 auszubilden. Die Sammelleitung 310 wird dazu verwendet, um Oxidationsgas zu den Einheitszellen 100 zu führen. Nachfolgend kann die Sammelleitung 310 ebenso als eine „Oxidationsgas-Zuführ-Sammelleitung 310” bezeichnet sein. Die Sammelleitung 315 wird dazu verwendet, um Oxidations-Abgas, welches von den Einheitszellen 100 abgegeben wird, abzuführen. Nachfolgend kann die Sammelleitung 315 ebenso als die „Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315” bezeichnet sein. Nachstehend können die Sammelleitungen 320, 325, 330 und 335 ebenso als eine „Brenngas-Zuführ-Sammelleitung 320”, eine „Brenn-Abgas-Abführ-Sammelleitung 325”, eine „Kühlmittel-Zuführ-Sammelleitung 330” bzw. eine „Kühlmittel-Abführ-Sammelleitung 335” entsprechend den Aufgaben davon bezeichnet sein. Die Brennstoffzelle 10 dieser beispielhaften Ausführungsform führt Reaktionsgas (das heißt, Brenngas und Oxidationsgas) und Kühlmittel ausgehend von der Endplatte 230 auf der Seite des vorderen Endes über die Zuführ-Sammelleitungen 310, 320 und 330 hin zu jeder der Einheitszellen 100. Die Brennstoffzelle 10 führt außerdem Abgas und Abwasser von den Einheitszellen 100 aus der Brennstoffzelle 10 von der Endplatte 230 auf der Seite des vorderen Endes über die Abführ-Sammelleitungen 315, 325 und 335 ab. Die Abführ-Sammelleitung 325 kann ebenso als der Abführabschnitt der Erfindung betrachtet werden. Die Brennstoffzelle 10 der beispielhaften Ausführungsform ist jedoch nicht auf diese Struktur beschränkt. Die Brennstoffzelle 10 kann beispielsweise ebenso derart strukturiert sein, dass ein Reaktionsgas und ein Kühlmittel von der Endplatte 230 auf der Seite des vorderen Endes zugeführt werden und Abgas und Abwasser von der Endplatte 240 auf der Seite des hinteren Endes aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt werden.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Oxidationsgas-Zuführ-Sammelleitung 310 in der X-Richtung (der Richtung der langen Seite) bei einem Außenkantenabschnitt eines unteren Endes der Brennstoffzelle 10 angeordnet und die Oxidationsgas-Abführ-Sammelleitung 315 ist in der X-Richtung bei einem Außenkantenabschnitt eines oberen Endes angeordnet. Die Brenngas-Zuführ-Sammelleitung 320 ist bei einem oberen Endabschnitt in der Y-Richtung (Richtung der kurzen Seite) eines Außenkantenabschnitts bei dem rechten Ende der Brennstoffzelle 10 angeordnet und die Brenngas-Abführ-Sammelleitung 325 ist bei einem unteren Endabschnitt in der Y-Richtung eines Außenkantenabschnitts bei dem linken Ende angeordnet. Die Kühlmittel-Zuführ-Sammelleitung 330 ist in der Y-Richtung unterhalb der Brenngas-Zuführ-Sammelleitung 320 angeordnet und die Kühlmittel-Abführ-Sammelleitung 335 ist in der Y-Richtung oberhalb der Brenngas-Abführ-Sammelleitung 325 angeordnet.
2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer der Einheitszellen 100. Die Einheitszelle 100 umfasst eine Membranelektroden & Gasdiffusionsschichtanordnung (MEGA) 110, ein Rahmenelement 140, eine kathodenseitige Separatorplatte 150, eine anodenseitige Separatorplatte 160 und ein poröses Element 170. Die MEGA 110 entspricht einem Leistungserzeugungskörper, welcher eine rechtwinklige Außengestalt besitzt. Die Struktur dieser MEGA 110 ist später beschrieben.
Das Rahmenelement 140 ist entlang der äußeren Peripherie der MEGA 110 angeordnet und aus Harz oder Kautschuk oder dergleichen mit Dichteigenschaften und Isolationseigenschaften hergestellt. Das Rahmenelement 140 besitzt ein rechtwinkliges Leistungserzeugungsbereich-Fenster 141 in der Mitte, welches mit der Außengestalt der MEGA 110 übereinstimmt. Ein nicht gezeigter Stufenabschnitt ist bei einer Umfangskante dieses Leistungserzeugungsbereich-Fensters 141 ausgebildet. Die MEGA 110 ist durch Montieren bzw. Einpassen bei diesem Stufenabschnitt in das Leistungserzeugungsbereich-Fenster eingepasst. Die MEGA 110, welche in das Leistungserzeugungsbereich-Fenster 141 eingepasst ist, überlappt in der Z-Richtung bei dem Stufenabschnitt des Rahmenelements 140 mit dem Rahmenelement 140. Der Bereich der MEGA 110, welcher über das Leistungserzeugungsbereich-Fenster 141 freiliegend ist, entspricht einem Leistungserzeugungsbereich 111, der eine Zuführung von Brenngas von der anodenseitigen Separatorplatte 160 empfängt. Das Rahmenelement 140 besitzt als die Zuführ- und Abführöffnungen, welche die vorstehend beschriebenen Sammelleitungen bilden, eine Brenngas-Zuführöffnung 142 und eine Brenn-Abgas-Abführöffnung 143, eine Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 144 und Oxidations-Abgas-Abführöffnungen 145, und Kühlmittel-Zuführöffnungen 146 und Kühlmittel-Abführöffnungen 147, welche in dem Bereich vorgesehen sind, der das Leistungserzeugungsbereich-Fenster 141 umgibt. Die Brenngas-Zuführöffnung 142 bildet einen Abschnitt der Brenngas-Zuführ-Sammelleitung 320 und die Brenn-Abgas-Abführöffnung 143 bildet einen Abschnitt der Brenn-Abgas-Abführ-Sammelleitung 325. Die Oxidationsgas-Zuführöffnungen 144 bilden einen Abschnitt der Oxidationsgas-Zuführ-Sammelleitung 310 und die Oxidations-Abgas-Abführöffnungen 145 bilden einen Abschnitt der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315. Die Kühlmittel-Zuführöffnungen 146 bilden einen Abschnitt der Kühlmittel-Zuführ-Sammelleitung 130 und die Kühlmittel-Abführöffnungen 147 bilden einen Abschnitt der Kühlmittel-Abführ-Sammelleitung 335. Das Rahmenelement 140 ist zwischen der anodenseitigen Separatorplatte 160 und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 angeordnet und dichtet den Gas-Strömungspfad, welcher der MEGA 110 zugewandt ist, sowie die Zuführöffnungen und Abführöffnungen ab, um zu verhindern, dass Oxidationsgas, Brenngas und Kühlmittel austreten.
Die kathodenseite Separatorplatte 150 und die anodenseitige Separatorplatte 160 sind jeweils durch ein rechtwinkliges Element ausgebildet, welches Gas blockierende und Elektronen leitende Eigenschaften besitzt. Die anodenseitige Separatorplatte 160 und der kathodenseitige Separator 130 sind durch ein Kohlenstoff- bzw. Karbonelement von dichtem Kohlenstoff, bei welchem Kohlenstoffpartikel in einem Ausmaß verdichtet wurden, bei dem der Kohlenstoff gasundurchlässig oder dergleichen ist, oder ein Metallelement beispielsweise aus Edelstahl oder Titan oder dergleichen ausgebildet. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die kathodenseite Separatorplatte 150 durch Pressformen von Edelstahl ausgebildet.
Die kathodenseite Separatorplatte 150 besitzt eine im Allgemeinen flache Plattengestalt, wobei die Mitte dem porösen Element 170 zugewandt ist und ein äußerer Umfangsabschnitt dem Rahmenelement 140 zugewandt ist. Die kathodenseite Separatorplatte 150 umfasst eine Brenngas-Zuführöffnung 152 und eine Brenn-Abgas-Abführöffnung 153, eine Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 154 und Oxidations-Abgas-Abführöffnungen 155 und eine Mehrzahl von Kühlmittel-Zuführöffnungen 156 und Kühlmittel-Abführöffnungen 157.
Die anodenseitige Separatorplatte 160 ist derart angeordnet, dass eine Mitte der Anodenseite der MEGA 110 zugewandt ist und ein äußerer Umfangsabschnitt dem Rahmenelement 140 zugewandt ist. Die anodenseitige Separatorplatte 160 besitzt einen Brenngas-Strömungspfad in Form einer Mehrzahl von nutförmigen Leitungen auf der Oberfläche auf der Seite nahe der MEGA 110 und einen Kühlmittel-Strömungspfad in Form einer Mehrzahl von nutförmigen Leitungen auf der Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite. Die anodenseitige Separatorplatte 160 umfasst als Zuführöffnungen und Abführöffnungen, welche die vorstehend beschriebenen Sammelleitungen bilden, eine Brenngas-Zuführöffnung 162 und eine Brenngas-Abführöffnung 163, eine Mehrzahl von Oxidationsgas-Zuführöffnungen 164 und Oxidationsgas-Abführöffnungen 165 und eine Mehrzahl von Kühlmittel-Zuführöffnungen 166 und Kühlmittel-Abführöffnungen 167.
Das poröse Element 170 ist durch ein rechtwinkliges poröses Element ausgebildet, welches eine Leitfähigkeit und eine Gasdiffusionsfähigkeit besitzt, wie ein poröser Metallkörper (beispielsweise ausdehnbares bzw. schäumbares Metall). Das poröse Element 170 entspricht einem Element, welches einen Oxidationsgas-Strömungspfad zum Zuführen von Oxidationsgas zu der MEGA 110 und zum Abführen von Oxidations-Abgas zu der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 bildet. Das poröse Element 170 ist zwischen der Kathodenseite der MEGA 110 und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 positioniert. Das poröse Element 170 umfasst eine erste Oberfläche 171, welche der Kathodenseite der MEGA 110 zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche 172, welche auf der entgegengesetzten Seite von der ersten Oberfläche 171 ausgebildet ist und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 zugewandt ist. Dichtplatten 180 und 181 sind auf jedem Endseitenabschnitt der ersten Oberfläche 171 des porösen Elements 170 jeweils in der vertikalen Richtung in 2 angeordnet.
Die Dichtplatten 180 und 181 sind durch gasundurchlässige Elemente aus Metall oder dergleichen ausgebildet, welche eine lange rechtwinklige Plattengestalt besitzen. Die Dichtplatten 180 und 181 entsprechen Elementen zum Verhindern, dass Harz oder Kautschuk, welches/welcher das Rahmenelement 140 bildet, in das poröse Element 170 strömt, wenn das Rahmenelement 140 hergestellt wird, und zwischen dem porösen Element 170 und dem Rahmenelement 140 angeordnet sind.
3 ist eine erläuternde Ansicht der Struktur der Membranelektroden- und Gasdiffusionsschichtanordnung 110 (MEGA 110). Die MEGA 110 umfasst eine Elektrolytmembran 112, eine kathodenseitige Katalysatorschicht 114, eine anodenseitige Katalysatorschicht 116, eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 118 und eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 120. Die Elektrolytmembran 112 entspricht einer Elektrolytmembran, welche eine Protonenleitfähigkeit besitzt, und diese ist aus Fluor-Elektrolyt-Harz (Ionenaustauschharz), wie beispielsweise einem Perfluorcarbon-Sulfonsäurepolymer hergestellt. Die MEGA 110 kann als die Membranelektrodenanordnung der Erfindung betrachtet werden.
Die kathodenseite Katalysatorschicht 114 und die anodenseitige Katalysatorschicht 116 umfassen Kohlenstoff, welcher einen Katalysator (beispielsweise Platin) trägt, und von diesen ist eine auf jeweils einer Seite der Elektrolytmembran 112 angeordnet. Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 118 ist auf der kathodenseitigen Katalysatorschicht 114 angeordnet. Der anodenseitige Separator 120 ist auf der anodenseitigen Katalysatorschicht 116 angeordnet. Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 118 und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 120 sind aus Kohlepapier oder Kohlefaser-Faservliesstoff hergestellt.
4 ist eine erläuternde Ansicht des Rahmenelements 140 und des porösen Elements 170, auf welchen die Dichtplatten 180 und 181 angeordnet sind, aus Sicht der Z-Richtung. In 4 ist die MEGA 110 (2) derart gezeigt, dass diese nicht an dem Leistungserzeugungsbereich-Fenster 141 des Rahmenelements 140 angebracht ist. Zusätzlich sind die Abschnitte des porösen Elements 170 und der Dichtplatten 180 und 181, welche auf der Seite der hinteren Oberfläche des Rahmenelements 140 positioniert sind, durch eine unterbrochene Linie angegeben. Die Dichtplatte 180 ist bei einem Endabschnitt 170UE auf einer Seite des porösen Elements 170 angeordnet. Das poröse Element 170 ist derart angeordnet, dass der Endabschnitt 170UE auf der oberen Seite der Endseite auf der unteren Seite der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 folgt. Außerdem ist das poröse Element 170 derart angeordnet, dass der Endabschnitt 170LE der Endseite auf der oberen Seite der Oxidationsgas-Zuführ-Sammelleitung 310 folgt. Die Dichtplatte 181 ist bei einem Endabschnitt 170LE auf einer unteren Seite des porösen Elements 170 angeordnet. Das poröse Element 170 leitet Oxidationsgas Ga, welches von der Oxidationsgas-Zuführ-Sammelleitung 310 zugeführt wird, in der Oberflächenrichtung (die XY-Ebenenrichtung) des porösen Elements 170 ausgehend von dem Endabschnitt 170LE auf der unteren Seite, bei welcher die Dichtplatte 181 angeordnet ist, und führt dieses (das Oxidationsgas Ga) über die erste Oberfläche 171 hin zu der MEGA 110. Das poröse Element 170 führt außerdem Oxidation-Abgas Gex, welches von der MEGA 110 abgegeben wird, über den Endabschnitt 170UE auf der oberen Seite, bei welcher die Dichtplatte 180 angeordnet ist, hin zu dem Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315.
5 ist eine Schnittansicht des Bereichs um die Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 der Einheitszellen 100. In jeder Einheitszelle 100 ist durch das poröse Element 170 zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte 150 und der Dichtplatte 180 und zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte 150 und dem Rahmenelement 140 ein Oxidationsgas-Strömungspfad 131 durch das poröse Element 170 ausgebildet. Eine Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte 150 ist dem porösen Element 170 zugewandt und die anderen Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte 150 ist der anodenseitigen Separatorplatte 160 einer weiteren benachbarten Einheitszelle 100 zugewandt. Ein Kühlmittel-Strömungspfad 134 ist zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte 150 einer Einheitszelle 100 und der benachbarten anodenseitigen Separatorplatte 160 einer weiteren Einheitszelle 100 ausgebildet. Dabei ist zwischen der anodenseitigen Separatorplatte 160 und der MEGA 110 ein Brenngas-Strömungspfad 132 ausgebildet.
Ein Endseitenabschnitt 171UE auf einer oberen Seite der ersten Oberfläche 171, ein Endseitenabschnitt 172UE auf einer oberen Seite der zweiten Oberfläche 172 und ein Endflächenabschnitt 173, welcher zwischen dem Endseitenabschnitt 171UE und dem Endseitenabschnitt 172UE positioniert ist, sind bei dem Endabschnitt 170UE auf der oberen Seite des porösen Elements 170 ausgebildet. Der Endflächenabschnitt 173 ist der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 zugewandt. Der Endabschnitt 170UE auf der oberen Seite des porösen Elements 170 steht zusammen mit den Endabschnitten auf der oberen Seite der Dichtplatte 180 und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 in die Oxidationsgas-Abführ-Sammelleitung 315 vor. Das von der MEGA 110 abgegebene Oxidations-Abgas strömt innerhalb des porösen Elements 170 und wird über den Endflächenabschnitt 173 hin zu der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 abgegeben.
Die Dichtplatte 180 ist entlang des Endseitenabschnitts 171UE der ersten Oberfläche 171 des porösen Elements 170 angeordnet und ist dem Rahmenelement 140 zugewandt. In ähnlicher Art und Weise ist die bei dem Endabschnitt 170LE (4) auf der unteren Seite des porösen Elements 170 angeordnete Dichtplatte 181 entlang eines Endseitenabschnitts, nicht gezeigt, auf der unteren Seite der ersten Oberfläche 171 des porösen Elements 170 angeordnet und ist dem Rahmenelement 140 zugewandt.
6 ist eine erläuternde Ansicht, welche die Struktur des porösen Elements 170 darstellt. In 6 sind die Dichtplatte 180, die kathodenseitige Separatorplatte 150 und das Rahmenelement 140 dem Zwecke der Darstellung getrennt von dem porösen Element 170 gezeigt. In der nachstehenden Beschreibung ist der Bereich der ersten Oberfläche 171 des porösen Elements 170, welcher der Dichtplatte 180 zugewandt ist, ebenso als ein „erster Bereich 171UA” bezeichnet, und der Bereich der zweiten Oberfläche 172, welche sich auf der entgegengesetzten Seite zu dem ersten Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171 befindet, ist ebenso als ein „zweiter Bereich 172UA” bezeichnet. Die Einheitszelle 100 ist derart strukturiert, dass der erste Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171 und der zweite Bereich 172UA der zweiten Oberfläche 172 unterschiedliche Hydrophilien aufweisen. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform besitzt der zweite Bereich 172UA der zweiten Oberfläche 172 eine höhere Hydrophilie als der erste Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171. In dieser Spezifikation bezieht sich die Hydrophilie des Bereichs auf den Durchschnittswert der Hydrophilie in einem Bereich. Eine hohe Hydrophilie bedeutet außerdem, dass der Kontaktwinkel klein ist. Zu dieser Zeit können von dem Kontaktwinkel von zwei verglichenen Bereichen einer oder beide Kontaktwinkel 90° überschreiten. Das heißt, der Ausdruck „Hydrophilie” im weiteren Sinne, wie in dieser Spezifikation verwendet, umfasst ebenso einen Fall, bei welchem der Kontaktwinkel 90° überschreitet. „Hydrophilie” im engeren Sinne bedeutet, dass der Kontaktwinkel kleiner als 90° ist.
7 ist eine erläuternde Ansicht, welche ein Beispiel eines Verfahrens darstellt, um die Hydrophilie des zweiten Bereichs 172UA höher als die Hydrophilie des ersten Bereichs 171UA des porösen Elements 170 zu gestalten. 7A ist eine Draufsicht des porösen Elements 170 mit den vorgesehenen Dichtplatten 180 und 181, und 7B ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines Querschnitts entlang einer Linie A-A von 7A. Zunächst werden, wie in 7A gezeigt ist, das poröse Element 170 und die Dichtplatte 180 vorbereitet und die Dichtplatte 180 wird entlang des Endseitenabschnitts 171UE auf der oberen Seite der ersten Oberfläche 171 des porösen Elements 170 angeordnet. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist außerdem die Dichtplatte 181 bei dem Endseitenabschnitt 171LE auf der unteren Seite angeordnet. Anschließend wird, wie in 7B gezeigt ist, die Hydrophilie-Behandlung auf dem gesamten porösen Element 170 mit der vorgesehenen Dichtplatte 180 durchgeführt. Einige Beispiel der Hydrophilie-Behandlung sind eine Ultraviolettbestrahlungsbehandlung, eine Honungsbehandlung, eine Plasmabehandlung, eine physikalische Oberflächen-Aufraubehandlung, die Anwendung eines hydrophilen Mittels und eine Behandlung zum Ausbilden von kleinen Vorsprüngen, das Verfahren der Hydrophilie-Behandlung ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Bei dem porösen Element 170 wird die Hydrophilie-Behandlung auf dem ersten Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171, welcher durch die Dichtplatte 180 bedeckt ist, nicht durchgeführt, sondern diese wird auf dem zweiten Bereich 172UA der zweiten Oberfläche 172 durchgeführt. Daher kann die Hydrophilie des zweiten Bereichs 172UA im Vergleich zu der Hydrophilie des ersten Bereichs 171UA des porösen Elements 170 höher gestaltet werden.
8 ist eine erläuternde Ansicht, welche den Zustand innerhalb des Oxidationsgas-Strömungspfads 173 darstellt, wenn Leistung erzeugt wird. Die Einheitszelle 100 bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist derart strukturiert, dass die zweite Oberfläche 172 des porösen Elements 170 eine höhere Hydrophilie besitzt als die erste Oberfläche 171, zumindest bei einem Abschnitt, bei welchem der Oxidationsgas-Strömungspfad 131 zwischen der Dichtplatte 180 und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 aufgenommen ist. Daher kann bei diesem Abschnitt des Oxidationsgas-Strömungspfades 131 Wasser Wa, welches durch die Leistungserzeugung produziert wird, entlang der zweiten Oberfläche 172 des porösen Elements 71 strömen. Folglich kann das Oxidations-Abgas Gex entlang der ersten Oberfläche 171 des porösen Elements 170 geleitet werden und hin zu der Oxidation-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 abgegeben werden.
9 ist eine erläuternde Ansicht, welche den Zustand innerhalb einer Einheitszelle 100C eines Vergleichsbeispiels darstellt, wenn Leistung erzeugt wird. Die Einheitszelle 100C des Vergleichsbeispiels unterscheidet sich von der Einheitszelle 100 bei der beispielhaften Ausführungsform lediglich hinsichtlich der Struktur eines porösen Elements 170C. Bei dem Vergleichsbeispiel wird auf dem porösen Element 170C keine Hydrophilie-Behandlung durchgeführt, so dass die Hydrophilien einer ersten Oberfläche 171C und einer zweiten Oberfläche 172C im Wesentlichen gleich sind. Bei der Einheitszelle 100C des Vergleichsbeispiels strömt Wasser Wa entlang sowohl der Seite der ersten Oberfläche 171C als auch der Seite der zweiten Oberfläche 172C des porösen Elements 170C bei zumindest dem Abschnitt, welcher zwischen der Dichtplatte 180 und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 aufgenommen ist. Wenn das Wasser Wa entlang beiden Seiten des porösen Elements 170C strömt, kann das Wasser Wa den Oxidationsgas-Strömungspfad 131 blockieren, wie in 9 gezeigt ist. Wenn der Oxidationsgas-Strömungspfad 131 durch das Wasser Wa blockiert ist, nimmt der Druckverlust zu, wenn das Oxidations-Abgas Gex hin zu der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 abgeführt wird, so dass die Leistungserzeugungsfähigkeit abnimmt.
10 ist eine Ansicht, welche den Druckverlust von Oxidation-Abgas in der Einheitszelle 100 der beispielhaften Ausführungsform und den Druckverlust von Oxidations-Abgas in der Einheitszelle 100C des Vergleichsbeispiels vergleicht. Die Druckverluste der Einheitszellen wurden unter Bedingungen mit einem Stöchiometrieverhältnis von 2,0, einer Stromdichte von 1,5 A/cm² und einer Kathoden-Eingangs-Gastemperatur von 20°C verglichen. Die Ergebnisse zeigten einen Druckverlust bei der Einheitszelle 100 der beispielhaften Ausführungsform von 3,5 kPa im Vergleich zu einem Druckverlust bei der Einheitszelle 100C des Vergleichsbeispiels von 4,0 kPa. Daraus ist ersichtlich, dass der Druckverlust des Oxidations-Abgases Gex in dem Oxidationsgas-Strömungspfad 131 durch die Struktur der beispielhaften Ausführungsform reduziert wird.
Bei der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, kann der Druckverlust des über das Innere des porösen Elements 170 abgegebenen Oxidations-Abgases Gex daran gehindert werden, zuzunehmen. Insbesondere kann bei dem Abschnitt des porösen Elements 170, welcher zwischen der Dichtplatte 180 und der kathodenseitigen Separatorplatte 150 aufgenommen ist, das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser Wa entlang entweder der Seite der ersten Oberfläche 171 oder der Seite der zweiten Oberfläche 172 strömen, welche auch immer eine relativ höhere Hydrophilie aufweist, und das Oxidations-Abgas Gex kann entlang der anderen Seite strömen. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser Wa das Innere des porösen Elements 170 blockiert, so dass eine Zunahme des Druckverlusts des über das Innere des porösen Elements 170 abgegebenen Oxidations-Abgases Gex und eine Abnahme der Leistungserzeugungsfähigkeit infolge einer solchen Zunahme verhindert werden können.
Nachfolgend ist eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
11 ist eine Ansicht, welche eine Einheitszelle 100S einer Brennstoffzelle gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt. In 11 sind eine Dichtplatte 180S, eine kathodenseitige Separatorplatte 150S und das Rahmenelement 140 zum Zwecke der Darstellung getrennt von einem porösen Element 170S gezeigt. Bei der Einheitszelle 100S der zweiten beispielhaften Ausführungsform unterscheidet sich das Element, auf welche die Durchführung der Hydrophilie-Behandlung durchgeführt wird, von diesem der Einheitszelle 100 der ersten beispielhaften Ausführungsform. In der nachfolgenden Beschreibung kann der Bereich der Dichtplatte 180S, welche dem porösen Element 170S zugewandt ist, ebenso als der „dritte Bereich 180FA” bezeichnet sein und der Bereich der kathodenseitigen Separatorplatte 150S auf der gegenüberliegenden Seite des porösen Elements 170S zu dem dritten Bereich 180FA der Dichtplatte 180S kann als der „vierte Bereich 150FA” bezeichnet sein.
Die Einheitszelle 100S der zweiten beispielhaften Ausführungsform ist derart strukturiert, dass der dritte Bereich 180FA der Dichtplatte 180S und der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S unterschiedliche Hydrophilien besitzen. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform besitzt der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S eine höhere Hydrophilie als der dritte Bereich 180FA der Dichtplatte 180S. Die Hydrophilie-Behandlung wird auf dem porösen Element 170S nicht durchgeführt, so dass die Hydrophilie einer ersten Oberfläche 171S und einer zweiten Oberfläche 172S etwa gleich sind.
Auch mit dieser Struktur kann eine Zunahme des Druckverlusts des über das Innere des porösen Elements 170S abgegebenen Oxidations-Abgases Gex verhindert werden. Insbesondere kann in dem Oxidationsgas-Strömungspfad das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser entlang einer Seite, das heißt, der Seite der Dichtplatte 180S oder der Seite der kathodenseitigen Separatorplatte 150S, welche auch immer eine relativ höhere Hydrophilie besitzt, strömen, und das Oxidations-Abgas Gex kann entlang der anderen Seite strömen. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser Wa den Strömungspfad blockiert, so dass eine Zunahme des Druckverlusts des über diesen Strömungspfad abgegebenen Oxidations-Abgases Gex und eine Abnahme der Leistungserzeugungsfähigkeit infolge einer solchen Zunahme verhindert werden können.
Das poröse Element 170S ist derart strukturiert, dass von der ersten Oberfläche 171S und der zweiten Oberfläche 172S diejenige Oberfläche, welche der Oberfläche mit der relativ hohen Hydrophilie zugewandt ist, eine höhere Hydrophilie als die andere Oberfläche besitzt. Insbesondere falls der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S eine höhere Hydrophilie besitzt als der dritte Bereich 180FA der Dichtplatte 180S, kann dann die zweite Oberfläche 172S des porösen Elements 170S eine höhere Hydrophilie besitzen als die erste Oberfläche 171S. In diesem Fall strömt das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser Wa stabil auf einer Seite, das heißt, zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte 150S und der zweiten Oberfläche 172S des porösen Elements 170S. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das Wasser Wa das Innere des porösen Elements 170S blockiert, was vorzuziehen ist.
12 ist eine Ansicht von Einheitszellen 100S1 und 100S2 von Brennstoffzellen gemäß modifizierten Beispielen der zweiten beispielhaften Ausführungsform. In 12 sind lediglich die Spitzen-Endabschnitte der Dichtplatte 180S und der kathodenseitigen Separatorplatte 150S gezeigt. Das poröse Element 170, das Rahmenelement 140 und die anodenseitige Separatorplatte 160 sind weggelassen. Zusätzlich zu der Einheitszelle 100C des Vergleichsbeispiels und der Einheitszelle 100S der zweiten beispielhaften Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, sind in 12 außerdem eine Einheitszelle 100S1 einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten modifizierten Beispiel der zweiten beispielhaften Ausführungsform und eine Einheitszelle 100S2 einer Brennstoffzelle gemäß einem zweiten modifizierten Beispiel der zweiten beispielhaften Ausführungsform gezeigt.
Bei der Einheitszelle 100S1 des ersten modifizierten Beispiels wird auf einem Teil des vierten Bereichs 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S eine Hydrophilie-Behandlung durchgeführt. Daher umfasst der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S zwei Bereiche, das heißt, einen Bereich, welcher hydrophil behandelt wurde, und einen Bereich, welcher nicht hydrophil behandelt wurde. Der dritte Bereich 180FA der Dichtplatte 180S ist nicht hydrophil behandelt.
Bei der Einheitszelle 100S2 des zweiten modifizierten Beispiels ist eine Hydrophilie-Behandlung bei einem Teil des dritten Bereichs 180FA der Dichtplatte 180S und bei einem Teil des vierten Bereichs 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S durchgeführt. Daher umfassen sowohl der dritte Bereich 180FA als auch der vierte Bereich 150FA zwei Bereiche, das heißt, einen Bereich, welcher hydrophil behandelt wurde, und einen Bereich, welcher nicht hydrophil behandelt wurde. Der Bereich bzw. die Fläche des vierten Bereichs 150FA, welche hydrophil behandelt wurde, ist breiter als die Fläche des dritten Bereichs 180FA, welche hydrophil behandelt wurde. Die Hydrophilien der Bereiche sind im Wesentlichen gleich. Bei den Einheitszellen 100S1 und 100S2 der ersten und zweiten modifizierten Beispiele ist das poröse Element nicht hydrophil behandelt, so dass die Hydrophilie von beiden Oberflächen etwa gleich ist. Hierbei kann der Bereich des dritten Bereichs 180FA der Dichtplatte 180S, welcher hydrophil behandelt ist, ebenso als ein „fünfter Bereich 180FAP” bezeichnet sein. Außerdem kann der Bereich des vierten Bereichs 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S, welcher hydrophil behandelt ist, ebenso als ein „sechster Bereich 150FAP” bezeichnet sein. Der Bereich, welcher nicht hydrophil behandelt ist, kann außerdem als ein „unbehandelter Bereich NP” bezeichnet sein.
13 ist eine Draufsicht zum Darstellen des sechsten Bereichs 150FAP und des unbehandelten Bereichs NP der kathodenseitigen Separatorplatte 150S bei dem ersten modifizierten Beispiel. Bei den modifizierten Beispielen (a) bis (f) in 13 ist der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S gezeigt und die obere Seite des Papiers, auf welchem 13 dargestellt ist, ist der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 zugewandt. Wie durch das modifizierte Beispiel (a) in 13 dargestellt ist, kann der sechste Bereich 150FAP durch eine Mehrzahl von rechtwinklig gestalteten Bereichen ausgebildet sein und diese Bereiche können abwechselnd mit den unbehandelten Bereichen NP angeordnet sein, welche eine rechtwinklige Gestalt besitzen. Der sechste Bereich 150FAP steht vorzugsweise mit der Endseite auf der oberen Seite der kathodenseitigen Separatorplatte 150S in Kontakt. In diesem Fall kann das Wasser Wa, welches entlang des sechsten Bereichs 150FAP strömt, auf einfache Art und Weise hin zu der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 abgegeben werden. Außerdem kann, wie durch das modifizierte Beispiel (b) in 13 dargestellt ist, der sechste Bereich 150FAP durch eine Mehrzahl von gekrümmten Bereichen ausgebildet sein. Der sechste Bereich 150FAP kann außerdem, wie durch das modifizierte Beispiel (c) in 13 dargestellt ist, durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen dreieckigen Bereichen ausgebildet sein, bei welchen die Breite in Richtung hin zu der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 enger wird. Umgekehrt kann, wie durch das modifizierte Beispiel (d) in 13 dargestellt ist, die Breite von jedem der Mehrzahl von Bereichen, welche den sechsten Bereich 150FAP bilden, außerdem in Richtung hin zu der Oxidations-Abgas-Abführ-Sammelleitung 315 breiter werden. Außerdem kann das Verhältnis der Breite von jedem der Mehrzahl von Bereichen, welche den sechsten Bereich 150FAP bilden, zu der Breite von jedem der unbehandelten Bereiche NP beliebig eingestellt sein. Beispielsweise kann, wie durch die modifizierten Beispiele (e) und (f) in 13 dargestellt ist, die Breite von jedem der Mehrzahl von Bereichen, welche den sechsten Bereich 150FAP bilden, relativ breiter sein als diese bei den modifizierten Beispielen (c) und (d) in 13. Die modifizierten Beispiele (a) bis (f) in 13 stellen Gestaltungen des sechsten Bereichs 150FAP dar, die Gestalt des sechsten Bereichs 150FAP ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
Die Einheitszellen 100S1 und 100S2 gemäß den ersten und zweiten modifizierten Beispielen sind derart strukturiert, dass sich eine Fläche AS des fünften Bereichs 180FAP, welcher hydrophil behandelt ist, des dritten Bereichs 180FA der Dichtplatte 180S von einer Fläche AC des sechsten Bereichs 150FAP, welcher hydrophil behandelt ist, des vierten Bereichs 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S unterscheidet. Hier ist als ein Beispiel davon die Fläche AS des fünften Bereichs 180FAP der Dichtplatte 180S größer ausgebildet als die Fläche AC des sechsten Bereichs 150FAP der kathodenseitigen Separatorplatte 150S.
Beispielsweise ist bei der Einheitszelle 100S1 des ersten modifizierten Beispiels der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S teilweise hydrophil behandelt, während der dritte Bereich 180FA der Dichtplatte 180S nicht hydrophil behandelt ist. Daher ist die Fläche AS des fünften Bereichs 180FAP der Dichtplatte 180S gleich 0, während die Fläche AC des sechsten Bereichs 150FAP der kathodenseitigen Separatorplatte 150S größer als 0 ist. Daher ist die Fläche AC größer als die Fläche AS. Bei der Einheitszelle 100S2 des zweiten modifizierten Beispiels ist die hydrophil behandelte Fläche des vierten Bereichs 150FA größer als die hydrophil behandelte Fläche des dritten Bereichs 180FA, so dass die Fläche AC größer als die Fläche AS ist.
Auch bei den vorstehend beschriebenen Strukturen kann eine Zunahme des Druckverlusts des Oxidations-Abgases Gex, welches über den zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte 150S und der Dichtplatte 180S ausgebildeten Strömungspfad abgeführt wird, verhindert werden. Insbesondere kann das Wasser Wa in dem Oxidationsgas-Strömungspfad hauptsächlich entlang einer Seite der Dichtplatte 180S und der kathodenseitigen Separatorplatte 150S strömen, auf welcher die Fläche des hydrophil behandelten Bereichs groß ist, und das Oxidations-Abgas Gex kann hauptsächlich auf der anderen Seite strömen. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das durch die Leistungserzeugung produzierte Wasser Wa den Strömungspfad blockiert, und eine Zunahme des Druckverlusts des über diesen Strömungspfad abgeführten Oxidations-Abgases Gex sowie eine Abnahme der Leistungserzeugungsfähigkeit infolge dieser Zunahme können verhindert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen und modifizierten Beispiele davon beschränkt, sondern kann in einer Vielzahl von Arten und Weisen ausgeführt sein, ohne von dem Schutzumfang davon abzuweichen. Es sind beispielsweise ebenso Modifikationen wie die nachstehend beschriebenen möglich.
Nachfolgend ist ein modifiziertes Beispiel der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
14 ist eine Ansicht, welche eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß dem modifizierten Beispiel darstellt. Bei der ersten beispielhaften Ausführungsform besitzt der zweite Bereich 172UA der zweiten Oberfläche 172 des porösen Elements 170 eine höhere Hydrophilie als der erste Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171. Die Hydrophilie-Behandlung kann jedoch ebenso auf dem ersten Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171 angewendet werden, so dass der erste Bereich 171UA der ersten Oberfläche 171 eine höhere Hydrophilie besitzt als der zweite Bereich 172UA der zweiten Oberfläche 172. Auch in diesem Fall kann das Wasser Wa auf der Seite der ersten Oberfläche 171 strömen, bei welcher die Hydrophilie relativ hoch ist, und das Oxidations-Abgas Gex kann auf der Seite mit der zweiten Oberfläche 172 strömen.
Bei der ersten beispielhaften Ausführungsform wird die Hydrophilie-Behandlung lediglich auf einem Bereich des ersten Bereichs 171UA und des zweiten Bereichs 172UA des porösen Elements 170 durchgeführt, die Hydrophilie-Behandlung kann jedoch ebenso bei beiden Bereichen angewendet werden, wobei sich der Grad der Hydrophilie zwischen diesen Bereichen unterscheidet. Auch in diesem Fall kann das Wasser Wa veranlasst werden, von diesen Bereichen 171UA und 172UA auf der Seite zu strömen, bei welcher die Hydrophilie relativ hoch ist, und das Oxidations-Abgas Gex kann veranlasst werden, auf der anderen Seite zu strömen.
Außerdem kann bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform bei dem dritten Bereich 180FA der Dichtplatte 180S und auch dem vierten Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S die Hydrophilie-Behandlung bei beiden angewendet werden, wobei sich der Grad der Hydrophilie zwischen diesen Bereichen unterscheidet.
Bei der ersten beispielhaften Ausführungsform wird die Hydrophilie bei einem Bereich des ersten Bereichs 171UA und des zweiten Bereichs 172UA des porösen Elements 170 angewendet, jedoch kann außerdem eine wasserabweisende Behandlung bei einem angewendet werden. Hinsichtlich des Grades der Hydrophilie dieser Bereiche 171UA und 172UA, das heißt, hinsichtlich des Grades des Kontaktwinkels, kann ein Unterschied vorgesehen sein. Beispiele der wasserabweisenden Behandlung umfassen das Aufbringen von Harz, Beschichten und Polieren und dergleichen.
Auch bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform kann die Differenz des Grades der Hydrophilie zwischen dem dritten Bereich 180FA der Dichtplatte 180S und dem vierten Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S durch eine wasserabweisende Behandlung geschaffen werden. Auch bei den ersten und zweiten modifizierten Beispielen der zweiten beispielhaften Ausführungsform kann bei dem dritten Bereich 180FA der Dichtplatte 180S und dem vierten Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S teilweise eine wasserabweisende Behandlung durchgeführt werden, und die Bereiche, bei welchen die wasserabweisende Behandlung nicht durchgeführt wird, können dem fünften Bereich 180FAP und dem sechsten Bereich 150FAP entsprechen.
Bei der ersten beispielhaften Ausführungsform wird die Hydrophilie-Behandlung auf einem gesamten Bereich aus dem ersten Bereich 171UA und dem zweiten Bereich 172UA des porösen Elements 170 angewendet, die Hydrophilie-Behandlung kann jedoch ebenso teilweise durchgeführt werden (das heißt, bei bestimmten Teilen durchgeführt werden). Auch in diesem Fall kann das Wasser Wa veranlasst werden, über den Abschnitt zu strömen, welcher nicht hydrophil behandelt ist, so dass das Oxidations-Abgas Gex veranlasst werden kann, auf der anderen Seite zu strömen. Wenn die Hydrophilie-Behandlung teilweise durchgeführt wird, kontaktiert der Bereich, welcher hydrophil behandelt ist, vorzugsweise den Endseitenabschnitt 171UE oder den Endseitenabschnitt 172UE. Weiter bevorzugt ist der gesamte Bereich hydrophil behandelt. Eine Hydrophilie-Behandlung des gesamten Bereichs ermöglicht es, dass das Wasser Wa stabil auf einer Seite strömt.
Die Struktur der Einheitszelle 100 der ersten beispielhaften Ausführungsform und die Struktur der Einheitszelle 100S der zweiten beispielhaften Ausführungsform können ebenso geeignet kombiniert werden. Beispielsweise kann das poröse Element 170 der ersten beispielhaften Ausführungsform bei der Einheitszelle 100S der zweiten beispielhaften Ausführungsform verwendet werden. Außerdem können der erste Bereich 171UA und der zweite Bereich 172UA des porösen Elements 170 ebenso wie der dritte Bereich 180FA der Dichtplatte 180S und der vierte Bereich 150FA der kathodenseitigen Separatorplatte 150S bei der zweiten Modifizierung der zweiten beispielhaften Ausführungsform teilweise hydrophil behandelt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-123949 A [0002]

Claims

Brennstoffzelle (10), welche dadurch gekennzeichnet ist, dass diese aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (110); ein poröses Element (170) mit einer ersten Oberfläche (171), einer zweiten Oberfläche (172) und einem Endoberflächenabschnitt (173), wobei sich die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des porösen Elements befinden, die erste Oberfläche auf einer Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt (171UE) der ersten Oberfläche und einem Endseitenabschnitt (172UE) der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte (180), welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte (150), welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das poröse Element derart konfiguriert ist, dass dieses Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung führt und Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt hin zu einem Abführabschnitt (325) der Brennstoffzelle abführt; und die erste Oberfläche einen ersten Bereich (171UA) besitzt, welcher der Dichtplatte zugewandt ist, die zweite Oberfläche einen zweiten Bereich (172UA) besitzt, der erste Bereich sich zwischen der Dichtplatte und dem zweiten Bereich befindet, und eine Hydrophilie des ersten Bereichs unterschiedlich zu einer Hydrophilie des zweiten Bereichs ist.
Brennstoffzelle (10), welche dadurch gekennzeichnet ist, dass diese aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (110); ein poröses Element (170) mit einer ersten Oberfläche (171), einer zweiten Oberfläche (172) und einem Endoberflächenabschnitt (173), wobei sich die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des porösen Elements befinden, die erste Oberfläche auf einer Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt (171UE) der ersten Oberfläche und einem Endseitenabschnitt (172UE) der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte (180), welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte (150), welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das poröse Element derart konfiguriert ist, dass dieses Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung führt und Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt hin zu einem Abführabschnitt (325) der Brennstoffzelle abführt; und die Dichtplatte einen dritten Bereich (180FA) besitzt, welcher dem porösen Element zugewandt ist, die Separatorplatte einen vierten Bereich (150FA) besitzt, welcher sich über das poröse Element gegenüberliegend zu dem dritten Bereich der Dichtplatte befindet, und eine Hydrophilie des dritten Bereichs unterschiedlich zu einer Hydrophilie des vierten Bereichs ist.
Brennstoffzelle (10), welche dadurch gekennzeichnet ist, dass diese aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (110); ein poröses Element (170) mit einer ersten Oberfläche (171), einer zweiten Oberfläche (172) und einem Endoberflächenabschnitt (173), wobei sich die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des porösen Elements befinden, die erste Oberfläche auf einer Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und sich der Endoberflächenabschnitt zwischen einem Endseitenabschnitt (171UE) der ersten Oberfläche und einem Endseitenabschnitt (172UE) der zweiten Oberfläche befindet; eine Dichtplatte (180), welche entlang des Endseitenabschnitts der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine Separatorplatte (150), welche auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das poröse Element derart konfiguriert ist, dass dieses Oxidationsgas über die erste Oberfläche hin zu der Membranelektrodenanordnung führt und Oxidations-Abgas über den Endoberflächenabschnitt hin zu einem Abführabschnitt (325) der Brennstoffzelle abführt; und die Dichtplatte einen dritten Bereich besitzt, welcher dem porösen Element zugewandt ist, wobei der dritte Bereich einen fünften Bereich (180FAP) umfasst, welcher hydrophil behandelt ist, die Separatorplatte einen vierten Bereich besitzt, welcher dem dritten Bereich der Dichtplatte über das poröse Element gegenüberliegt, wobei der vierte Bereich einen sechsten Bereich (150FAP) umfasst, welcher hydrophil behandelt ist, und sich eine Fläche des fünften Bereichs von einer Fläche des sechsten Bereichs unterscheidet.
Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass dieses aufweist: Ausbilden einer Anordnung eines porösen Elements (170) und einer Dichtplatte (180) durch Anordnen der Dichtplatte entlang eines Endseitenabschnitts (171UE) einer ersten Oberfläche (171) des porösen Elements; Durchführen einer Hydrophilie-Behandlung auf der gesamten Anordnung; und Anordnen einer Membranelektrodenanordnung (110) auf der ersten Oberfläche des porösen Elements und Anordnen einer Separatorplatte (150) auf einer zweiten Oberfläche (172), wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Seiten des porösen Elements entsprechen, während der Endseitenabschnitt der ersten Oberfläche einem Abführabschnitt (325) zum Abführen von Oxidations-Abgas zugewandt ist, auf der Anordnung, bei welcher die Hydrophilie-Behandlung durchgeführt wurde.