DE102015205227A1

DE102015205227A1 - Separator und Brennstoffzelle mit demselben

Info

Publication number: DE102015205227A1
Application number: DE102015205227.3A
Authority: DE
Inventors: Sang Mun Jin; Yoo Chang Yang
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US9680165B2; US20150303492A1; CN105006582A; KR101664035B1; JP2015207549A; KR20150121959A; CN105006582B; JP6890916B2

Abstract

Ein Separator für eine Brennstoffzelle ist vorgesehen. Der Separator ist an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung angeordnet und ist eingerichtet, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung zuzuführen. Darüber hinaus umfasst der Separator einen leitfähigen mikroporösen Körper, der an einer Reaktionsfläche entsprechend der Membranelektrodenanordnung gebildet ist, und eine Kanaleinheit, die mit einem Einlassverteiler und einem Auslassverteiler, durch welche das Reaktionsgas strömt, verbunden ist und eingerichtet ist, um das Reaktionsgas an die Reaktionsfläche zuzuführen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0048240 , die im koreanischen Amt für geistiges Eigentum (Korean Intellectual Property Office) am 22. April 2104 eingereicht wurde, wobei deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
HINTERGRUND
(a) Gebiet der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Separator mit einer mikroporösen Struktur und einer den Separator umfassenden Brennstoffzelle.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Wie im Stand der Technik bekannt ist, ist eine Brennstoffzelle aus Elementarzellen aufgebaut, die elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Eine solche Brennstoffzelle kann durch Anordnen von Separatoren an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung (membrane-electrode assembly – MEA) aufgebaut sein. Reaktionskanäle zum Zuführen von Brennstoff und eines Reaktionsgases (z. B. Luft) an die Membranelektrodenanordnung und ein Kühlkanal zum Leiten von Kühlwasser sind in den Separatoren gebildet. Eine Gasdiffusionsschicht zum Diffundieren des Reaktionsgases ist an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung gebildet.
Um die Leistung der Brennstoffzelle zu maximieren, erfordert die Flächenpressung (Anpressdruck) der Gasdiffusionsschichten und der Membranelektrodenanordnung eine Gleichförmigkeit, die durch Verengen des Abstandes/Spaltes zwischen den Reaktionskanälen der Separatoren erreicht wird, und eine gleichmäßige Permeabilität wird über die gesamten Reaktionsflächen der Gasdiffusionsschichten erreicht. Jedoch gibt es eine Beschränkung beim Verringern des Abstandes zwischen den Reaktionskanälen, um verschiedene Fehler/Mängel zu verhindern, die in dem Prozess zum Bilden der Separatoren verursacht werden, und die folgenden Faktoren, die die Leistung der Brennstoffzelle verringern, werden aufgrund dieses praktischen Problems erzeugt.
Erstens, wenn der Abstand zwischen den Reaktionskanälen wesentlich ist, richtet sich ein Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem Separator und der Gasdiffusionsschicht. Demzufolge kann die poröse Struktur der Gasdiffusionsschicht brechen, wodurch sich die Permeabilität des Reaktionsgases verschlechtern kann, und die Fähigkeit zum Diffundieren des Reaktionsgases und die Fähigkeit zum Abführen von Produktwasser können schwächer werden. Ferner, da die Belastung in der Fläche minimal ist, wo die Reaktionskanäle gebildet sind, ragt die Gasdiffusionsschicht von den Kanalabschnitten des Separators hervor, so dass die Fluidität eines Fluides verschlechtert werden kann.
Zweitens, da die Struktur der Gasdiffusionsschicht aufgrund der Konzentration auf die Kontaktfläche des Separators gebrochen wird, können Kohlefasern zu einer Elektrodenschicht der Membranelektrodenanordnung durch die gebrochenen Bereich durchdringen, so dass die Elektrodenschicht beschädigt werden kann.
Drittens, in den Kanalabschnitten mit der freiliegenden Gasdiffusionsschicht, wird das Reaktionsgas in ausreichender Weise zugeführt und eine aktive chemische Reaktion kann stattfinden, aber ein Kontaktwiderstand kann aufgrund einer mangelnden Flächenpressung zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Membranelektrodenanordnung zunehmen, was mögliche Schwierigkeiten in der Bewegung von durch die Reaktion erzeugten Elektronen verursacht.
Um die obigen Probleme zu verbessern, sind ein geformtes poröses Element mit einer dreidimensionalen (3D) porösen Struktur durch Bilden von Kanälen und eine poröse Struktur mit Mikrolöchern in einer im Wesentlichen dünnen Metallplatte im Stand der Technik verwendet worden. Ferner ist ein Verfahren zum Einsetzen einer mikroporösen Struktur, um einen Anpressdruck gleichmäßig zu verteilen und um die Fähigkeiten zum Diffundieren eines Reaktionsgases und Abführen von Produktwasser zu verbessern, anstelle eines Separators mit Reaktionskanälen verwendet worden. Da eine mikroporöse Struktur, wie beispielsweise Metallschaum und ein Metallgewebe, ein im Wesentlichen großes Aperturverhältnis aufweisen und einen Anpressdruck verteilt, kann die Gasdiffusionsschicht gleichmäßig zusammengedrückt werden.
In diesen Materialien weist der Metallschaum eine wesentliche Anzahl von Blasen/Bläschen auf, die innerhalb des metallischen Materials miteinander verbunden sind, und kann somit ein Fluid leiten, und besitzt ein im Wesentlichen hohes Verhältnis von Oberfläche pro Volumen und Festigkeit, und ist demzufolge für das Material von Separatoren in Brennstoffzellen geeignet. Jedoch ist im Stand der Technik der bedeutendste Fehler des Metallschaums, dass es unmöglich sein kann, die Strömung eines Reaktionsgases und Produktwasser aufgrund der zufälligen Verbindung der inneren Blasen/Bläschen zu steuern, und es somit schwierig werden kann, die gesamte Reaktionsfläche in effizienter Weise zu nutzen.
Ferner, da eine mikroporöse Struktur für Separatoren im Stand der Technik verwendet wird, wird die Druckdifferenz in den Separatoren im Wesentlichen erhöht und somit nimmt die parasitäre Leistung zu, das Volumen einer Brennstoffzelle nimmt zu und Mikroporen können verstopft werden, wenn die Brennstoffzelle mit Wasser (Kondenswasser) übersättigt ist, so dass die Betriebssicherheit der Brennstoffzelle abnimmt.
Die oben in diesem Abschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt bereit einen Separator mit einem Vorteil zum gleichmäßigeren Verteilen eines Reaktionsgasstromes und Ermöglichen eines stabileren Betriebs einer Brennstoffzelle selbst bei Störungen/Beeinträchtigungen von außen, wie beispielsweise ein plötzliches Einströmen von Wasser aufgrund eines Überkondensierens des Wassers, und eine Brennstoffzelle mit dem Separator.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt einen Separator für eine Brennstoffzelle bereit, der an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung zuzuführen. Der Separator kann umfassen: einen leitfähigen mikroporösen Körper, der auf/an einer Reaktionsfläche, die der Membranelektrodenanordnung entspricht, gebildet ist; und eine Kanaleinheit, die mit einem Einlassverteiler und einem Auslassverteiler verbunden ist, damit das Reaktionsgas nach innen und außen strömen kann, und das Reaktionsgas an die Reaktionsfläche führt.
Ferner kann die Kanaleinheit Kanäle bilden, die sich von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche aufweiten. Darüber hinaus kann die Kanaleinheit Kanäle bilden, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche verbunden sind. Die Kanäle können von einem aus dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu dem anderen eine Längenzunahme aufweisen und mit der Reaktionsfläche verbunden werden. Ferner können Rippen zwischen den Kanälen hervorragen und Trennwände können an/auf der Reaktionsfläche gebildet werden und können den mikroporösen Körper in mehrere Abschnitte unterteilen. Die Trennwände können in den Formen von Rillen/Nuten an/auf der Seite gegenüber der Reaktionsfläche gebildet werden und können in Richtung der Reaktionsfläche hervorragen. Die Rillen/Nuten können als Kühlkanäle gebildet werden, durch welche ein Kühlmittel strömen kann.
Darüber hinaus kann die Kanaleinheit Kanäle bilden, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche verbunden sind, und kann Rippen zwischen den Kanälen bilden. Die Trennwände, die den mikroporösen Körper in mehrere Teile unterteilen, können an/auf der Reaktionsfläche gebildet werden. Zusätzlich können die Trennwände mit den Rippen verbunden werden und können die Reaktionsfläche in mehrere Reaktionsbereiche unterteilen. Die Trennwände können auch die Kanäle in mehrere jeweils mit den Reaktionsbereichen verbundene Kanalgruppen unterteilen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt bereit eine Brennstoffzelle, die umfassen kann: eine Membranelektrodenanordnung; Separatoren, die an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind; und einen leitfähigen mikroporösen Körper, der an/auf einer Reaktionsfläche des Separators, die der Membranelektrodenanordnung entspricht, gebildet ist und eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung zuzuführen, wobei der Separator aufweisen kann Einlass- und Auslassverteiler, damit das Reaktionsgas nach innen und außen strömen kann (beispielsweise in und aus), und eine Kanaleinheit, die mit dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler verbunden ist und eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Reaktionsfläche zu führen.
Darüber hinaus kann die Kanaleinheit Kanäle bilden, die sich von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche aufweiten. Die Kanäle können von einem aus dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu dem anderen eine Längenzunahme aufweisen und können mit der Reaktionsfläche verbunden werden. Die Kanaleinheit kann Rippen zwischen den Kanälen bilden.
Zusätzlich können Trennwände, die den mikroporösen Körper in mehrere Abschnitte unterteilen, an/auf der Reaktionsfläche des Separators gebildet werden. Die Trennwände können in den Formen von Rillen/Nuten an/auf der Seite gegenüber der Reaktionsfläche gebildet werden und können in Richtung der Reaktionsfläche hervorragen. Die Rillen/Nuten können als Kühlkanäle gebildet werden, durch welche ein Kühlmittel strömen kann.
Ferner können die Trennwände, die den mikroporösen Körper unterteilen, an/auf der Reaktionsfläche des Separators gebildet werden. Die Trennwände können mit den Rippen verbunden werden und können die Reaktionsfläche in mehrere Reaktionsbereiche unterteilen. Die Trennwände können auch die Kanäle in mehrere jeweils mit den Reaktionsbereichen verbundene Kanalgruppen unterteilen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, ein Reaktionsgas zu dem mikroporösen Körper der Reaktionsfläche durch die Kanaleinheit des Separators gleichmäßiger zu verteilen und die Leistung einer Brennstoffzelle zu verbessern. Ferner kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Reaktionsfläche des Separators in mehrere Reaktionsbereiche durch die Trennwände unterteilt werden, der mikroporöse Körper kann in mehrere Teile in den Reaktionsbereichen unterteilt werden und die Kanäle der Kanaleinheit können in mehrere jeweils mit den Reaktionsbereichen verbundene Kanalgruppen unterteilt werden.
Demzufolge kann es in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich sein, Reaktionsgase an den mikroporösen Körper kontinuierlich gleichmäßig zu verteilen, eine stabilere Leistung der Brennstoffzelle selbst bei zeitweiligen Störungen/Beeinflussungen von außen, wie beispielsweise ein übermäßiges Einströmen von Kondenswasser, beizubehalten und eine Stockung der Strömung der Reaktionsgase aufgrund einer partiellen Konzentration von durch eine Reaktion erzeugtem Produktwasser zu verhindern. Ferner kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, da die die Trennwände bildenden Rillen/Nuten als Kühlkanäle genutzt werden können, durch welche ein Kühlmittel strömen kann, die Effizienz zum Kühlen einer Brennstoffzelle erhöht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen sind zu Referenzzwecken bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorgesehen und die Lehre der vorliegenden Erfindung sollte nicht nur durch die beigefügten Zeichnungen ausgelegt werden.
1 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen Separator für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 zeigt eine beispielhafte detaillierte Ansicht, die einen Abschnitt des Separators für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbespiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 und 5 zeigen beispielhafte Graphen, die die Betriebswirkungen einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Wie der Durchschnittsfachmann erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Teile, die sich nicht auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele beziehen, werden nicht dargestellt, um die Beschreibung zu verdeutlichen, und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente überall in der Beschreibung. Ferner sind die Größen und Dicken der in den Zeichnungen dargestellten Konfigurationen/Anordnungen für die Zweckmäßigkeit der Beschreibung selektiv vorgesehen, so dass die vorliegende Erfindung nicht auf jene, die in den Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt ist, und die Dicken sind übertrieben dargestellt, um einige Teile und Bereiche zu verdeutlichen.
Ein Unterscheiden der Bezeichnungen von Komponenten durch die erste und die zweite usw. in der folgenden Beschreibung dient ihrem Unterscheiden für die gleiche Beziehung der Komponenten und die Komponenten sind nicht auf die Reihenfolge in der folgenden Beschreibung beschränkt. Ferner bedeuten die hierin verwendeten Begriffe ”...Einheit”, ”...Mechanismus”, ”...Anschnitt/Teil”, ”...Element” usw., dass die Einheiten einschließlich der Komponenten zumindest eine oder mehrere Funktionen oder Operationen durchführen.
1 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 1 kann eine Brennstoffzelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Elementarzellen umfassen, die jeweils eingerichtet sein können, um ein Wasserstoffgas (beispielsweise Brennstoff) und ein Oxidationsgas (beispielsweise Luft) (nachfolgend als Reaktionsgase bezeichnet) aufzunehmen, und kann eingerichtet sein, um elektrische Energie unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen.
Eine Mehrzahl von Brennstoffzellenplatten kann sequenziell in einem Brennstoffzellenstapel gestapelt sein und kann eingerichtet sein, um als Reaktionsnebenprodukte Wärme und Ablaufproduktwasser, das Kondenswasser ist, zu erzeugen. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle 100 eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 10, Gasdiffusionsschichten 30 an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung 10 und Separatoren 50 in engem Kontakt mit (beispielsweise benachbart/neben) den Gasdiffusionsschichten 30 umfassen. Die Membranelektrodenanordnung 10 kann durch Bilden einer Anodenschicht an einer Seite einer Elektrolytmembran und einer Kathodenschicht auf der anderen Seite der Elektrolytmembran strukturiert werden.
Die Anodenschicht kann ein Reaktionsgas (z. B. Wasserstoffgas) in Elektronen und Protonen durch Oxidieren des Gases zersetzen und die Elektrolytmembran kann die Protonen an die Kathodenschicht bewegen. Die Kathodenschicht kann Wasser und Wärme durch Desoxidieren der Elektronen und Protonen von der Anodenschicht und eines Reaktionsgases (z. B. Luft), das separat zugeführt wird, erzeugen. Die Gasdiffusionsschichten 30 zum Diffundieren des Reaktionsgases, das durch die Separatoren 50 an die Anodenschicht und die Kathodenschicht der Membranelektrodenanordnung zugeführt wird, können eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen und können auf der Anodenschicht und der Kathodenschicht gebildet sein. Die Separatoren 50 zum Zuführen eines Reaktionsgases an die Membranelektrodenanordnung 10 durch die Diffusionsschichten 30 können aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sein.
Ein Einlassverteiler 51 und ein Auslassverteiler 52 für ein Reaktionsgas, damit dieses nach innen und nach außen strömen kann, können an den Kanten der beiden Seiten des Separators 50 gebildet sein. Der Separator 50 kann eine Reaktionsfläche 53, die der Gasdiffusionsschicht 30 entspricht, aufweisen und kann mit dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 verbunden sein. Obwohl die Brennstoffzelle 100 mit den Gasdiffusionsschichten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Beschreibung beschränkt und die vorliegende Erfindung kann bei der Brennstoffzelle mit Ausnahme der Gasdiffusionsschichten eine Anwendung finden. In der folgenden Beschreibung wird die Brennstoffzelle 100 mit den Gasdiffusionsschichten 30 als ein Beispiel beschrieben.
Der Separator 50 für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Struktur auf, die in der Lage ist, eine Flächenpressung (Anpressdruck) auf die Membranelektrodenanordnung 10 gleichmäßiger zu verteilen und die Fähigkeiten zum Diffundieren eines Reaktionsgases und zum Abführen von Produktwasser zu verbessern. Ferner stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Separator 50 für eine Brennstoffzelle bereit, der einen stabileren Betrieb einer Brennstoffzelle selbst bei Störungen/Beeinflussungen von außen, wie beispielsweise ein Einströmen von Wasser aufgrund eines Überkondensierens des Wassers, ermöglicht.
2 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen Separator für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und 3 zeigt eine beispielhafte detaillierte Ansicht, die einen Abschnitt des Separators für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbespiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 kann ein Separator 50 für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen mikroporösen Körper 60 und eine Kanaleinheit 70 umfassen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der mikroporöse Körper 60 eingerichtet sein, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung 10 durch die Gasdiffusionsschicht 30 zuzuführen, und kann auf der oben beschriebenen Reaktionsfläche 53 gebildet sein. Der mikroporöse Körper 60 kann ein Metallschaum mit einem vorgegebenen Aperturverhältnis (in diesem Gebiet ”Porosität” genannt) sein. Beispielsweise kann der mikroporöse Körper 60 aus einem Material hergestellt werden, das aus Silber-, Kupfer-, Gold-, Aluminium-, Wolfram-, Zinkmetall und Metalllegierungen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisend, ausgewählt wird. Da das Metallmaterial des mikroporösen Körper 60 eine Mehrzahl von Blasen/Bläschen enthalten kann, die miteinander verbunden sind, können ein Reaktionsgas und Produktwasser durch den mikroporösen Körper 60 strömen, das Verhältnis der Oberfläche zur Volumeneinheit kann zunehmen und die Festigkeit kann ansteigen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Kanaleinheit 70 eingerichtet sein, um einen Reaktionsgasstrom an den mikroporösen Körper 60 der Reaktionsfläche 53 gleichmäßiger zu verteilen und eine partielle Konzentration von Produktwasser, das durch eine Reaktion erzeugt wird, und eine Stockung der Strömung des Reaktionsgases aufgrund der Konzentration zu verhindern. Die Kanaleinheit 70 kann eingerichtet sein, um das in den Einlassverteiler 51 strömende Reaktionsgas an den mikroporösen Körper 60 der Reaktionsfläche 53 zu führen und um zu ermöglichen, dass das Reaktionsgas, das durch den mikroporösen Körper 60 geströmt ist, zu dem Auslassverteiler 52 strömen kann. Die Kanaleinheit 70 kann mit dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 verbunden sein und kann Kanäle 71, die mit der Reaktionsfläche 53 verbunden sind, umfassen.
Die Kanäle können eine Form aufweisen, die sich in Richtung der Reaktionsfläche 53 von dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 aufweitet, und können zwischen dem Einlassverteiler 51 und der Reaktionsfläche 53 beziehungsweise zwischen dem Auslassverteiler 52 und der Reaktionsfläche 53 gebildet sein. Beispielsweise können die Kanäle 71 eine Form mit zunehmender Länge von ersten Seiten zu zweiten Seiten des Einlassverteilers 51 und des Auslassverteilers 52 aufweisen und können mit der Reaktionsfläche 53 verbunden sein. Ferner können Rippen 73 gebildet sein, um zwischen den Kanälen 71 hervorzuragen, und können eine Form mit zunehmender Länge von den ersten Seiten zu den zweiten Seiten des Einlassverteilers 51 und des Auslassverteilers 52 aufweisen. Der Separator 50 für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ferner Trennwände 80 umfassen, die auf den Reaktionsflächen 53 gebildet sind und die den mikroporösen Körper 60 in mehrere Abschnitte unterteilen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Trennwände 80 in den Formen von Rillen 81 an der Seite gegenüber der Reaktionsfläche 53 gebildet sein, in Richtung der Reaktionsfläche 53 hervorragen und sich von dem Einlassverteiler 51 zu dem Auslassverteiler 52 aufweiten. Mit anderen Worten können die Trennwände 80 auf der Reaktionsfläche 53 hervorragen, die Reaktionsfläche 53 in mehrere Reaktionsbereiche 55 unterteilen und können den mikroporösen Körper 60 in eine Mehrzahl von Teilen 61 in den Reaktionsbereichen 55 unterteilen.
Die Reaktionsbereiche 55 können mit den Kanälen 71 an dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 verbunden sein und die Trennwände 80 können mit den Rippen 73 der Kanaleinheit 70 verbunden sein. Mit anderen Worten können die Trennwände 80 mit den Rippen 73 der Kanaleinheit 70 an dem Einlassverteiler 51 und mit den Rippen 73 der Kanaleinheit 70 an dem Auslassverteiler 52 verbunden sein. Demzufolge können die Trennwände die Kanäle 71 der Kanaleinheit 70 in mehrere Kanalgruppen 75, die jeweils mit den Reaktionsbereichen 55 verbunden sind, unterteilen.
Die Trennwände 80 können wie oberhalb beschrieben in den Formen von Rillen 81 an der Seite gegenüber der Reaktionsfläche 53 gebildet sein und die Rillen 81 können Kühlkanäle 90 bilden, durch welche ein Kühlmittel strömen kann, wenn die Brennstoffzellen 100 gestapelt sind. Mit anderen Worten können, wenn ein Brennstoffzellenstapel durch Stapeln einer Mehrzahl von Platten von Brennstoffzellen 100 gebildet wird, die Seiten gegenüber den Reaktionsflächen 53 des Separators 50 in engem Kontakt miteinander stehen (beispielsweise benachbart/neben) und die Rillen 81 auf den gegenüberliegenden Seiten können verbunden/kombiniert werden, um den Kühlkanal 90 zu bilden. Der Betrieb der Brennstoffzelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration aufweist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Zunächst kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein erstes Reaktionsgas (z. B. ein Wasserstoffgas) an den Einlassverteiler 51 eines ersten Separators 50 zugeführt werden und ein zweites Reaktionsgas (z. B. Luft) kann an den Einlassverteiler 51 eines zweiten Separators 50 zugeführt werden. Die Reaktionsgase können durch die Kanäle 71 der Kanaleinheit 70 diffundiert werden und zu den Reaktionsflächen 53 der Separatoren 50 geführt werden und dann in die mikroporösen Körper 60 der Reaktionsflächen 53 gleichmäßig strömen. Die Reaktionsgase können durch die Kanalgruppen 75 der Kanäle diffundiert werden und an die Reaktionsbereiche 55 der Reaktionsflächen 53, die durch die Trennwände 80 unterteilt werden, geführt werden, um zu ermöglichen, dass die Reaktionsgase gleichmäßiger in die Teile 61 der mikroporösen Körper 60, die in den Reaktionsbereichen 55 unterteilt sind, strömen können.
Die Reaktionsgase (beispielsweise Wasserstoffgas und Luft) können durch die Gasdiffusionsschicht 30 diffundiert werden und an die Anodenschicht beziehungsweise die Kathodenschicht der Membranelektrodenanordnung 10 zugeführt werden, und elektrische Energie kann durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an der Anodenschicht und der Kathodenschicht erzeugt werden, so dass Wärme und Produktwasser, das Kondenswasser ist, erzeugt werden können. Die durch die Teile 61 des mikroporösen Körpers 60 strömenden Reaktionsgase können an den Auslassverteiler 52 durch die Kanäle 71 der Kanaleinheit 70 abgeführt werden. Die Wärme, die durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben erzeugt wird, kann durch ein Kühlmittel, das durch die Kühlkanäle 90 zwischen den Separatoren 50 von benachbarten Brennstoffzellen 100 strömt, beseitigt werden.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der Brennstoffzelle 100 eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ein Reaktionsgas gleichmäßiger an den mikroporösen Körper 60 der Reaktionsfläche 53 durch die Kanaleinheit 70 des Separators 50 verteilt werden. Ferner kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Reaktionsfläche 53 des Separators 50 in mehrere Reaktionsbereiche 55 durch die Trennwände 80 unterteilt werden, der mikroporösen Körper 60 kann in mehrere Teile 61 in den Reaktionsbereichen 55 unterteilt werden und die Kanäle 71 der Kanaleinheit 70 können in mehrere Kanalgruppen 75, die jeweils mit den Reaktionsbereichen 55 verbunden sind, unterteilt werden.
Demzufolge kann es in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich sein, Reaktionsgase an den mikroporösen Körper 60 kontinuierlich gleichmäßig zu verteilen, eine stabilere Leistung der Brennstoffzelle selbst bei plötzlichen Störungen/Beeinträchtigungen von außen, wie beispielsweise ein übermäßiges Einströmen von Kondenswasser, beizubehalten, und eine Stockung der Strömung der Reaktionsgase aufgrund einer partiellen Konzentration von durch eine Reaktion erzeugtem Produktwasser zu verhindern. Ferner kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, da die die Trennwände 80 bildenden Rillen 81 als Kühlkanäle 90 verwendet werden können, durch welche ein Kühlmittel strömt, die Effizienz zum Kühlen einer Brennstoffzelle erhöht werden.
Betriebliche Wirkungen der Brennstoffzelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. 4 zeigt einen Graphen, der die Ergebnisse eines Testens einer Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel des Standes der Technik, in dem nur ein mikroporöser Körper bereitgestellt wurde, einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein mikroporöser Körper und eine Kanaleinheit bereitgestellt wurden, und einer Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein mikroporöser Körper, eine Kanaleinheit und Trennwände bereitgestellt wurden, darstellt.
Wie in 4 gezeigt, nahm die Leistung der Brennstoffzelle um 15% in dem Abschnitt mit maximaler Leistung in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel zu und die Leistung der Brennstoffzelle nahm um 20% in dem Abschnitt mit maximaler Leistung in dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel zu.
5 zeigt einen beispielhaften Graphen, der Testergebnisse einer Zellbetriebsstabilität in dem Vergleichsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 5 gezeigt, beim Vergleichen der Verhalten von Zellenspannung in dem Vergleichsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel, in denen Kondenswasser nach innen von der Außenseite der Zelle unter konstanter Last in der Brennstoffzelle strömte, wird ein stabileres Verhalten der Zelle in dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als in dem Vergleichsbeispiel gezeigt, da das Kondenswasser von außen gleichmäßiger in die Zelle strömt und ein plötzlicher Abfall der Zellenspannung verringert wird.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
Bezugszeichenliste

10: Membranelektrodenanordnung
30: Gasdiffusionsschicht
50: Separator
51: Einlassverteiler
52: Auslassverteiler
53: Reaktionsfläche
55: Reaktionsbereich
60: Mikroporöser Körper
61: Teil
70: Kanaleinheit
71: Kanal
73: Rippe
75: Kanalgruppe
80: Trennwand
81: Rille/Nut
90: Kühlkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 10-2014-0048240 [0001]

Claims

Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung und Separatoren, die an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind, umfasst, die Brennstoffzelle aufweisend: einen leitfähigen mikroporösen Körper, der an einer Reaktionsfläche des Separators entsprechend der Membranelektrodenanordnung gebildet ist und der eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung zuzuführen, wobei der Separator aufweist Einlass- und Auslassverteiler, damit das Reaktionsgas hinein und heraus strömen kann, und eine Kanaleinheit, die mit dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler verbunden ist und eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Reaktionsfläche zu führen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Kanaleinheit Kanäle bildet, die sich von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche aufweiten.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Kanäle von einem aus dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu dem anderen eine Längenzunahme aufweisen und mit der Reaktionsfläche verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Kanaleinheit Rippen zwischen den Kanälen bildet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei Trennwände, die den mikroporösen Körper in mehrere Abschnitte unterteilen, an der Reaktionsfläche des Separators gebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Trennwände in den Formen von Rillen an der Seite gegenüber der Reaktionsfläche gebildet sind und in Richtung der Reaktionsfläche ragen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die Rillen als Kühlkanäle, durch welche ein Kühlmittel strömt, gebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei Trennwände, die den mikroporösen Körper in mehrere Abschnitte unterteilen, an der Reaktionsfläche des Separators gebildet sind und die Trennwände mit den Rippen verbunden sind und die Reaktionsfläche in mehrere Reaktionsbereiche unterteilen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Trennwände die Kanäle in mehrere Kanalgruppen, die jeweils mit den Reaktionsbereichen verbunden sind, unterteilen.
Separator für eine Brennstoffzelle, der an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung zuzuführen, der Separator aufweisend: einen leitfähigen mikroporösen Körper, der an einer Reaktionsfläche gebildet ist, die der Membranelektrodenanordnung entspricht; und eine Kanaleinheit, die mit einem Einlassverteiler und einem Auslassverteiler, durch welche das Reaktionsgas strömt, verbunden ist und eingerichtet ist, um das Reaktionsgas an die Reaktionsfläche zu führen.
Separator nach Anspruch 10, wobei die Kanaleinheit Kanäle umfasst, die sich von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche aufweiten.
Separator nach Anspruch 10, wobei: die Kanaleinheit Kanäle bildet, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche verbunden sind, und die Kanäle von einem aus dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu dem anderen eine Längenzunahme aufweisen und mit der Reaktionsfläche verbunden sind.
Separator nach Anspruch 12, wobei Rippen zwischen den Kanälen hervorragen.
Separator nach Anspruch 10, ferner aufweisend Trennwände, die an der Reaktionsfläche gebildet sind und den mikroporösen Körper in mehrere Abschnitte unterteilen.
Separator nach Anspruch 14, wobei die Trennwände in den Formen von Rillen an der Seite gegenüber der Reaktionsfläche gebildet sind und in Richtung der Reaktionsfläche hervorragen.
Separator nach Anspruch 15, wobei die Rillen als Kühlkanäle, durch welche ein Kühlmittel strömt, gebildet sind.
Separator nach Anspruch 10, wobei: die Kanaleinheit Kanäle bildet, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu der Reaktionsfläche verbunden sind, und Rippen zwischen den Kanälen bildet, Trennwände, die den mikroporösen Körper in mehrere Abschnitte unterteilen, an der Reaktionsfläche gebildet sind, und die Trennwände mit den Rippen verbunden sind und die Reaktionsfläche in mehrere Reaktionsbereiche unterteilen.
Separator nach Anspruch 17, wobei die Trennwände die Kanäle in mehrere Kanalgruppen, die jeweils mit den Reaktionsbereichen verbunden sind, unterteilen.
Fahrzeug, aufweisend das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das eine Membranelektrodenanordnung und an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnete Separatoren umfasst.
Fahrzeug, aufweisend den Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 10, der an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung angeordnet ist und eingerichtet ist, um ein Reaktionsgas an die Membranelektrodenanordnung zuzuführen.