DE102015221408B4

DE102015221408B4 - Trennplatte und brennstoffzelle mit derselben

Info

Publication number: DE102015221408B4
Application number: DE102015221408.7A
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: 2014-12-04
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2035-11-03
Also published as: DE102015221408A1; KR20160067652A; US20160164122A1; CN105680066A; CN105680066B; KR101703575B1; US10069156B2

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und Trennplatten, die auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind, wobei die Brennstoffzelle Folgendes aufweist:Sperrrippen, die in Reaktionsflächen der Trennplatten ausgebildet sind, die der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechen, und zum Unterteilen der Reaktionsflächen in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen konfiguriert sind; undeinen Mikroporenkörper, der aus einer dünnen Metallplatte gebildet wird und der zwischen der Trennplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist,wobei der Mikroporenkörper poröse Einheiten, die in der Vielzahl von Reaktionsbereichen angeordnet sind, und eine Verbindungseinheit enthält, die eine ebene Oberfläche bildet und die mit den porösen Einheiten verbunden ist und konfiguriert ist, um mit den Sperrrippen flach in Kontakt zu geraten, um den Mikroporenkörper in eine Vielzahl von Bereichen zu unterteilen, die der Vielzahl von Reaktionsbereichen entsprechen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der koreanischen Patentanmeldung KR 10-2014-0173311 (publiziert als KR 10 2016 0 067 652 A ) die am 04. Dezember 2014 im Korean Intellectual Property Office (koreanisches Amt für geistiges Eigentum) eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND
(a) Gebiet der Erfindung
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft den Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems und genauer eine Trennplatte mit einer Mikroporenkörperstruktur und eine Brennstoffzelle mit derselben.
(b) Beschreibung der verwandten Technik
Eine Brennstoffzelle enthält im Allgemeinen Elementarzellen, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Die Brennstoffzelle enthält Trennplatten, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zwischen denselben angeordnet ist. Die Trennplatte enthält einen Reaktionsströmungskanal, der ein Reaktionsgas, das Brennstoff und Luft enthält, zu einer Membran-Elektroden-Anordnung zuführt, und einen Kühlströmungskanal, durch den ein Kühlmittel strömt. Eine Gasdiffusionsschicht, die das Reaktionsgas diffundiert, ist auf beiden Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet.
Eine Maximierung der Leistung der Brennstoffzelle erfordert, dass der Abstand zwischen den Reaktionsströmungskanälen der Trennplatten dicht ist, um einen gleichmäßigen Oberflächendruck und eine konstante Durchlässigkeit über eine Reaktionsfront der Gasdiffusionsschichten und der Membran-Elektroden-Anordnungen zu liefern. Eine Verringerung des Abstands zwischen den Reaktionsströmungskanälen der Trennplatten zum Verhindern verschiedener Fehler, die in einem Prozess zum Ausbilden der Trennplatte auftreten, ist beschränkt. Folglich können sich die folgenden Leistungsverschlechterungsfaktoren der Brennstoffzelle ergeben.
Beispielsweise verursacht ein erheblicher Abstand zwischen den Reaktionsströmungskanälen, dass eine Beanspruchung auf einer Stegfläche konzentriert wird, an der die Trennplatte und die Gasdiffusionsschicht nebeneinander positioniert sind. Insbesondere verringert die beeinträchtigte poröse Struktur der Gasdiffusionsschicht die Durchlässigkeit eines Reaktionsgases und die Diffusionsleistung eines Reaktionsgases und die Auslassleistung von erzeugtem Wasser verschlechtert sich. Des Weiteren weist eine Oberfläche des Reaktionsströmungskanals eine geringe Beanspruchung auf und die Gasdiffusionsschicht steht in Richtung der Strömungskanaleinheit der Trennplatte hervor. Mit anderen Worten kann sich die Viskosität eines Fluids verschlechtern.
Ferner wird die Struktur der Gasdiffusionsschicht durch die Stegeinheit der Trennplatte beschädigt, da die Kohlenstofffasern die Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung bei einer gebrochenen Komponente durchdringen und dadurch die Elektrodenschicht beschädigen. Des Weiteren ist eine chemische Reaktion aktiv, da ein Reaktionsgas der Strömungskanaleinheit innerhalb der Strömungskanaleinheit, in der die Gasdiffusionsschicht freiliegend ist, kontinuierlich zugeführt wird. Jedoch erhöht sich ein Kontaktwiderstand aufgrund eines unzureichenden Oberflächendrucks zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Membran-Elektroden-Anordnung. Das heißt, die durch eine Reaktion erzeugten Elektronen können einer verringerten Mobilität ausgesetzt sein.
Üblicherweise wird ein geformter poröser Körper mit porösen Strukturen, die feine Öffnungen enthalten, und einer dreidimensionalen porösen Struktur, die Kanäle enthält, in einer dünnen Metallplatte ausgebildet. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Einbringen einer Mikroporenstruktur, die zum gleichmäßigen Verteilen eines Oberflächendrucks und Verbessern der Diffusion eines Reaktionsgases und einer Auslassleistung des erzeugten Wassers fähig ist, anstelle der Trennplatte verwendet, die den Reaktionsströmungskanal enthält. Beispielsweise enthält die Mikroporenstruktur einen Metallschaum oder ein Drahtgeflecht, weist ein hohes Öffnungsverhältnis auf und fungiert als eine Oberflächendruck-Verteilungsstruktur, um die Gasdiffusionsschicht gleichmäßig zusammenzudrücken. Der Metallschaum enthält viele miteinander verbundene Blasen innerhalb Metallmaterialien. Zudem ist der Metallschaum für eine Trennplatte für ein Brennstoffzellenmaterial geeignet, da der Metallschaum einem Fluid ermöglicht, durch denselben zu strömen, und ein hohes Oberflächenbereichsverhältnis pro Volumeneinheit und eine erhöhte Festigkeit aufweist.
Der Metallschaum ist jedoch dadurch beschränkt, dass nicht die gesamte Reaktionsfront verwendet werden kann, da die internen Blasen zufällig verbunden sind, und beschränkt dadurch die Steuerung einer Strömung des Reaktionsgases und erzeugten Wassers. Des Weiteren erhöhen sich die parasitäre Leistung des Brennstoffzellensystems und das Volumen der Brennstoffzelle, da die Mikroporenstruktur auf die Trennplatte angewandt wird, und folglich erhöht sich ein Differenzdruck innerhalb der Trennplatte. Des Weiteren kann die Betriebssicherheit der Brennstoffzelle verringert werden, da die Mikroporen während eines Übersättigungszustands innerhalb der Brennstoffzelle häufig verstopft sind.
Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der jemandem hierzulande mit gewöhnlichen Fähigkeiten in der Technik bereits bekannt ist.
DE 11 2005 000 365 T5 beschreibt eine Kapillarschicht auf einem Strömungsfeld zum Wassermanagement in einer Pem-Brennstoffzelle.
US 2005/0214627 A1 offenbart eine Brennstoffzelle, die durch abwechselndes Stapeln einer Membranelektrodenanordnung und Separatoren gebildet wird.
KR 10 2013 0 065 171 A bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit verbesserter Leistung, in der Wasser effektiv abgeführt wird, in dem das Reaktionsgas durch einen speziellen Separator auf der gesamten Reaktionsfläche einheitlich verteilt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine Trennplatte zum gleichmäßigen Verteilen einer Strömung eines Reaktionsgases während des Verwendens einer Mikroporenstruktur, wobei dadurch die Nutzung eines Reaktionsgases erhöht wird und die Produktivität der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels verbessert wird, und eine Brennstoffzelle mit derselben.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Anordnung und Trennplatten enthält, die an beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind. Die Brennstoffzelle weist Sperrrippen, die in Reaktionsflächen der Trennplatten ausgebildet sind, die der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechen, und zum Unterteilen der Reaktionsflächen in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen konfiguriert sind, und einen Mikroporenkörper auf, der aus einer dünnen Metallplatte gebildet wird und der zwischen der Trennplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Der Mikroporenkörper enthält poröse Einheiten, die in der Vielzahl von Reaktionsbereichen angeordnet sind, und eine Verbindungseinheit, die eine ebene Oberfläche bildet und die mit den porösen Einheiten verbunden ist und konfiguriert ist , um mit den Sperrrippen flach in Kontakt zu geraten, um den Mikroporenkörper in eine Vielzahl von Bereichen zu unterteilen, die der Vielzahl von Reaktionsbereichen entsprechen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Mikroporenkörper und die Trennplatten miteinander verbunden sein. Bei der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform kann die Verbindungseinheit mit der Sperrrippe durch Laserbonden verbunden werden. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Mikroporenkörper als ein poröser Formkörper mit feinen Öffnungen und einem Strömungskanal gebildet sein.
Die ebene Oberfläche kann mit der Sperrrippe durch Laserbonden verbunden sein. Die Sperrrippe kann als eine Nut in einer Oberfläche gegenüber der Reaktionsfläche ausgebildet sein und in die Reaktionsfläche hervorstehen. Die Nut kann als Kühlweg ausgebildet sein, durch den ein Kühlmittel strömen kann. Bei einigen zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen kann die Trennplatte Einlass- und Auslassverteiler, durch die das Reaktionsgas zugeführt und abgeführt werden kann, und eine Kanaleinheit enthalten, die mit dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler verbunden sein kann und zum Einleiten bzw. Führen des Reaktionsgases zu den Reaktionsbereichen konfiguriert sein.
Die Kanaleinheit kann ferner Kanäle enthalten, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu den Reaktionsbereichen erweitert sind. Die Kanäle können Längen aufweisen, die von einer ersten Seite des Einlassverteilers und des Auslassverteilers zu einer zweiten Seite graduell vergrößert sind, und können mit den Reaktionsbereichen verbunden sein. Die Kanaleinheit kann Rippen enthalten, die zwischen den Kanälen ausgebildet sind.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Sperrrippe die Rippe verbinden und die Reaktionsfläche der Trennplatte in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen unterteilen. Insbesondere kann die Sperrrippe die Kanäle in eine Vielzahl von Kanalgruppen unterteilen, die mit den Reaktionsbereichen verbunden sind.
Trennplatten für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung sind auf allen beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet und zum Zuführen eines Reaktionsgases zu der Membran-Elektroden-Anordnung konfiguriert. Die Trennplatte weist Sperrrippen, die in Reaktionsflächen der Trennplatten ausgebildet sind, die der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechen, und die die Reaktionsflächen in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen unterteilen, und Einlass- und Auslassverteiler auf, in die das Reaktionsgas zugeführt und aus denen dasselbe abgeführt wird. Ferner wird das Reaktionsgas zu der Vielzahl von Reaktionsbereichen geführt und ein Mikroporenkörper, der aus einer dünnen Metallplatte gebildet wird, ist mit den Sperrrippen verbunden und mit der Strömung des Reaktionsgases und des erzeugten Wassers in die Vielzahl von Reaktionsbereichen, wobei der Mikroporenkörper poröse Einheiten, die in der Vielzahl von Reaktionsbereichen angeordnet sind, und eine Verbindungseinheit enthält, die eine ebene Oberfläche bildet und die mit den porösen Einheiten verbunden ist und konfiguriert ist, um mit den Sperrrippen flach in Kontakt zu geraten.
Bei der Trennplatte für eine Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform kann der Mikroporenkörper als ein geformter poröser Körper gebildet werden mit feinen Öffnungen und einem Strömungskanal. Zudem kann die Verbindungseinheit eine nachhaltig flache Form enthalten und mit der Sperrrippe durch Laserbonden einstückig verbunden werden.
Die Kanaleinheit kann Kanäle enthalten, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu den Reaktionsbereichen erweitert sind. Bei der Trennplatte können die Kanäle Längen aufweisen, die von einer ersten Seite des Einlassverteilers und des Auslassverteilers zu einer zweiten Seite zunehmen, und mit den Reaktionsbereichen verbunden sein.
Ferner können die Rippen zwischen den Kanälen hervorstehen und die Sperrrippe kann mit der Rippe verbunden sein und die Reaktionsfläche in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen unterteilen. Die Sperrrippe kann die Kanäle in eine Vielzahl von Kanalgruppen unterteilen, die mit den Reaktionsbereichen verbunden sind. Die Sperrrippe kann als eine Nut in einer Oberfläche gegenüber der Reaktionsfläche ausgebildet sein und in die Reaktionsfläche hervorstehen. Ferner kann die Nut als ein Kühlweg ausgebildet sein, durch den ein Kühlmittel strömt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Sperrrippen auf, die die Reaktionsfläche der Trennplatte in die Vielzahl von Reaktionsbereichen unterteilen. Die Kanaleinheit kann ein Reaktionsgas zu den Reaktionsbereichen gleichmäßig verteilen. Die Mikroporenkörper sind in der Vielzahl von Reaktionsbereichen angeordnet. Zudem kann eine Leistung eines Brennstoffzellenstapels erheblich verbessert werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Reaktionsgas zu den Reaktionsbereichen durch die Sperrrippen der Trennplatte und die Kanaleinheit verteilt werden und kann weiterhin zu den porösen Einheiten des Mirkoporenkörpers gleichmäßig verteilt werden. Des Weiteren kann die Leistung der Brennstoffzelle selbst während einer äußeren Störung, wie beispielsweise übermäßiger Eintritt von Kondenswasser, stabil beibehalten werden.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Stagnation einer Strömung eines Reaktionsgases verhindern. Die poröse Einheit des Mikroporenkörpers ist in jedem Reaktionsbereich der Trennplatte angeordnet und dadurch wird eine partielle Neigung von Wasser verursacht, das durch eine Reaktion des Reaktionsgases erzeugt werden kann. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Kühlleistung der Brennstoffzelle erhöhen, da die Nuten in den Sperrrippen ausgebildet werden können und als Kühlwege verwendet werden können, durch die ein Kühlmittel strömt. Eine beispielhafte Ausführungsform kann eine Dauer zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels durch eine Verringerung der Anzahl von Stapeln des Brennstoffzellenstapels verringern. Insbesondere wird der Mikroporenkörper, in dem die porösen Einheiten den jeweiligen Reaktionsbereichen entsprechen, durch die Verbindungseinheit einstückig verbunden und die Verbindungseinheit wird mit den Sperrrippen einstückig verbunden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann eine verbesserte Handhabung durch Erhöhen der Steifigkeit einer Form des Mikroporenkörpers erzielt werden. Zudem kann die Nutzung eines Reaktionsgases durch Verringern des Abstands zwischen der porösen Einheit des Mikroporenkörpers und der Sperrrippe erhöht werden. Des Weiteren kann die Leistung eines Brennstoffzellenstapels verbessert werden und ein Brennstoffzellenstapel kann die Verbindungseinheit zum Verbinden der porösen Einheiten des Mikroporenkörpers mit der Trennplatte kompakt verbinden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden.

1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Querschnittsansicht, die einen Teil einer Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
2 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer schematischen Darstellung, die eine Trennplatte für eine Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer vergrößerten Ansicht, die einen Teil der Trennplatte für eine Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Darstellung, die eine auf die Trennplatte für eine Brennstoffzelle angewandte Kanaleinheit nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ist eine beispielhafte Ausführungsform, die ein Vergleichsbeispiel zum Veranschaulichen eines anderen Effekts der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Graphen, der eine Analyse einer Strömung innerhalb der Trennplatte nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Analyse einer Strömung innerhalb der Trennplatte nach einem Vergleichsbeispiel veranschaulicht; und
7 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Graphen, der eine Leistungsevaluation der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Evaluation der Brennstoffzelle nach einem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Vorteile und Merkmale der Erfindung und Verfahren zum Durchführen derselben können durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen und die beiliegenden Zeichnungen leichter verstanden werden. Zwar wird die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, aber es wird klar sein, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegenteil soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen decken, die innerhalb des Wesens und Bereiches der Erfindung enthalten sein können, die durch die beiliegenden Ansprüche definiert sind.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzer Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder“ jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente. Zum Verdeutlichen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden beispielsweise Teile ohne Bezug nicht gezeigt und die Stärken von Schichten und Bereichen zur Klarheit übertrieben. Wenn angegeben wird, dass sich eine Schicht „auf“ einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat befindet, kann sich die Schicht ferner direkt auf einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat befinden oder eine dritte Schicht kann zwischen denselben angeordnet sein.
Um die vorliegende Erfindung klar zu beschreiben, wird eine Beschreibung von Teilen ohne Bezug zu der Beschreibung ausgelassen und die gleichen Bezugsnummern werden überall in den Zeichnungen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen. Die Größe und Stärke aller Elemente, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, sind zur einfacheren Beschreibung willkürlich veranschaulicht und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. In den Zeichnungen wurden die Stärken von Teilen und Bereichen zur Klarheit vergrößert. In der folgenden detaillierten Beschreibung ist der Grund, warum Ausdrücke, wie beispielsweise der/die/das erste und der/die/das zweite, verwendet werden, um zwischen Elementen zu unterscheiden, da der/die/das erste und der/die/das zweite jeweils die gleichen Konstruktionen aufweisen, und folglich sind die Elemente nicht auf solch eine Reihenfolge in der folgenden Beschreibung beschränkt. Des Weiteren bedeuten die Ausdrücke, wie zum Beispiel „...-einheit", „...-einrichtung", „...-teil" und „...element", die in der Beschreibung beschrieben sind, jeweils eine Einheit eines umfassenden Elements, die zumindest eine Funktion oder Operation durchführt.
Es ist klar, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, die Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, die eine Vielzahl von Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und Fahrzeuge mit anderen alternativen Brennstoffen enthält (z.B. Brennstoffe, die aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden). Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, wie beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Querschnittsansicht, die einen Teil einer Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. In Bezug auf 1 enthält die Brennstoffzelle 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform eine Elementarzelle, die mit Wasserstoffgas, das einen Brennstoff enthält, und Luft, beispielsweise ein Oxidationsmittelgas (nachstehend als „Reaktionsgas“ bezeichnet), versorgt wird, um elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Eine Vielzahl von Schichten bzw. Lagen der Brennstoffzellen 100 kann nacheinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Die Brennstoffzelle 100 kann zum Erzeugen von Wärme als Nebenprodukt der Reaktion konfiguriert sein und das erzeugte Wasser des Auslasses kann Kondenswasser sein. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle 100 eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10, Gasdiffusionsschichten 30, die auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung 10 angeordnet sind, und Trennplatten 50 enthalten, die unmittelbar an den jeweiligen Gasdiffusionsschichten 30 angebracht sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 kann eine Anodenschicht, die auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran ausgebildet ist, und eine Kathodenschicht enthalten, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet ist, wobei die Elektrolytmembran zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnet ist.
Die Anodenschicht kann zum Trennen eines Wasserstoffgases (z.B. ein Reaktionsgas) in Elektronen und Protonen durch eine Oxidationsreaktion fungieren. Die Elektrolytmembran kann die Protonen zu der Kathodenschicht transportieren. Die Kathodenschicht kann zum Erzeugen von Feuchte und Wärme durch eine Reduktionsreaktion der Elektronen und Protonen konfiguriert sein, die von der Anodenschicht empfangen werden und separat bereitgestellte Luft (z.B. ein Reaktionsgas) sein können. Die Gasdiffusionsschichten 30 können ein Reaktionsgas diffundieren, das durch die Trennplatten 50 zu der Anodenschicht und Kathodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugeführt werden kann, und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Gasdiffusionsschichten 30 können auf der Anodenschicht und der Kathodenschicht ausgebildet werden.
Die Trennplatten 50 sind zum Zuführen eines Reaktionsgases zu der Membran-Elektroden-Anordnung 10 durch die Gasdiffusionsschichten 30 konfiguriert und kann Materialien enthalten, die elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Trennplatte 50 enthält einen Einlassverteiler 51 und einen Auslassverteiler 52, die auf Rändern auf gegenüberliegenden Seiten derselben ausgebildet sein können und ein Reaktionsgas zuführen und ausgeben bzw. abgeben, wie in 2 veranschaulicht. Des Weiteren kann die Trennplatte 50 eine Reaktionsfläche 53, die mit dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 verbunden sein kann, mit anderen Worten einen Bereich enthalten, der der Gasdiffusionsschicht 30 entspricht.
Die Brennstoffzelle 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform kann die Gasdiffusionsschichten 30 enthalten, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Eine beispielhafte Ausführungsform kann auf eine Brennstoffzelle 100 ohne die Gasdiffusionsschicht 30 angewandt werden. Ein Beispiel, bei dem die Brennstoffzelle 100 die Gasdiffusionsschichten 30 enthält, wird unten weiter beschrieben. Die Brennstoffzelle 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform kann zum gleichmäßigen Verteilen eines an die Membran-Elektroden-Anordnung 10 angelegten Oberflächendrucks fähig sein und die Diffusion eines Reaktionsgases und die Auslasseigenschaft von erzeugtem Wasser verbessern.
Des Weiteren liefert eine beispielhafte Ausführungsform die Brennstoffzelle 100 mit der Fähigkeit, eine Strömung eines Reaktionsgases gleichmäßig zu verteilen und selbst während einer äußeren Störung, wie beispielsweise ein unmittelbarer Eintritt von Feuchte, der einer übermäßigen Kondensation von Feuchte zuzuschreiben ist, einen stabilen Betrieb beizubehalten. Des Weiteren kann die Brennstoffzelle 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform zum Erhöhen der Nutzung eines Reaktionsgases und Verbessern der Produktivität des Herstellens eines Brennstoffzellenstapels fähig sein.
2 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer schematischen Darstellung in Form einer Draufsicht, die die Trennplatte für eine Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer vergrößerten Ansicht, die einen Abschnitt der Trennplatte für eine Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Darstellung, die eine Kanaleinheit, die auf die Trennplatte für eine Brennstoffzelle angewandt wird, nach einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
In Bezug auf die 1 bis 4 enthält die Brennstoffzelle 100 gemäß der vorliegenden Erfindung Sperrrippen 20, die in den Trennplatten 50 ausgebildet sind, und einen Mikroporenkörper 60, der zwischen der Trennplatte 50 und der Gasdiffusionsschicht 30 ausgebildet ist, und kann eine Kanaleinheit 40 enthalten. Insbesondere sind die Sperrrippen 20 innerhalb der Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50, die der Gasdiffusionsschicht 30 entspricht, ausgebildet. Die Sperrrippen 20 unterteilen die Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50 in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen 55. Die Sperrrippe 20 kann eine Nut 21 enthalten, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Reaktionsfläche 53 ausgebildet ist. Die Sperrrippe 20 kann in die Reaktionsfläche 53 hervorstehen und sich seitlich von dem Einlassverteiler 51 der Trennplatte 50 zu dem Auslassverteiler 52 erstrecken. Mit anderen Worten können die Sperrrippen 20 in die Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50 hervorstehen und teilen die Reaktionsfläche 53 in die Vielzahl von Reaktionsbereichen 55 auf.
Die Sperrrippen 20 können die Nuten 21 auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Reaktionsfläche 53 innerhalb der Trennplatte 50 bilden. Die Nuten 21 können Kühlwege 80 bilden, durch die ein Kühlmittel strömen kann, wenn die Brennstoffzellen 100 gestapelt sind. Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenstapel durch Stapeln einer Vielzahl von Lagen der Brennstoffzellen 100 gebildet werden, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen der Reaktionsflächen 53 der Trennplatten 50 von benachbarten Brennstoffzellen 100 befestigt werden können. Die Kühlwege 80 können ausgebildet werden, wenn die Nuten 21 auf den gegenüberliegenden Oberflächen benachbart sind.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Kanaleinheit 40 zum gleichmäßigen Verteilen einer Strömung eines Reaktionsgases fungieren, das in den Einlassverteiler 51 zu den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 zugeführt werden kann, und ein Ereignis verhindern, bei dem durch eine Reaktion eines Reaktionsgases erzeugtes Wasser teilweise geneigt wird. Beispielsweise kann die Stagnation der Strömung des Reaktionsgases dem Ereignis zuschreibbar sein. Des Weiteren kann die Kanaleinheit 40 ein in den Einlassverteiler 51 zugeführtes Reaktionsgas zu den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 leiten. Zudem kann das Reaktionsgas abgeführt werden, wobei dasselbe durch den Reaktionsbereich 55 zu dem Auslassverteiler 52 strömt. Beispielsweise kann die Kanaleinheit 40 eine Vielzahl von Kanälen 41 enthalten, die mit dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 verbunden sein können und auch mit den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 verbunden sein können.
Die Kanäle 41 können konfiguriert sind, um sich von dem Einlassverteiler 51 und dem Auslassverteiler 52 zu den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 zu erstrecken. Insbesondere können die Kanäle zwischen dem Einlassverteiler 51 und der Reaktionsfläche 53 und zwischen dem Auslassverteiler 52 und der Reaktionsfläche 53 ausgebildet werden. Beispielsweise können die Kanäle 41 Längen aufweisen, die von einer Seite des Einlassverteilers 51 und des Auslassverteilers 52 zu der anderen Seite graduell zunehmen, und mit den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 verbunden sein. Mit anderen Worten können die Rippen 43 zwischen den Kanälen 41 hervorstehen und Längen aufweisen, die von einer Seite des Einlassverteilers 51 und des Auslassverteilers 52 zu der gegenüberliegenden Seite graduell zunehmen.
Bei der Trennplatte 50 können die Reaktionsbereiche 55 der Reaktionsfläche 53 mit den Kanälen 41 auf einem Abschnitt des Einlassverteilers 51 und des Auslassverteilers 52 verbunden sein. Die Sperrrippen 20 können mit den Rippen 43 der Kanaleinheit 40 verbunden sein. Beispielsweise können die Sperrrippen 20 mit den Rippen 43 der Kanaleinheit 40 auf dem Abschnitt des Einlassverteilers 51 verbunden sein und mit den Rippen 43 der Kanaleinheit 40 auf dem Abschnitt des Auslassverteilers 52 verbunden sein. Die Sperrrippen 20 können mit den Rippen 43 der Kanaleinheit 40 verbunden sein. Die Sperrrippen 20 unterteilen die Reaktionsfläche 53 in die Vielzahl von Reaktionsbereichen 55 und können die Kanäle 41 der Kanaleinheit 40 in eine Vielzahl von Kanalgruppen 45 unterteilen, die mit den Reaktionsbereichen 55 verbunden sein können.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Mikroporenkörper 60 zum Zuführen eines durch den Einlassverteiler 51 der Trennplatte 50 zugeführten Reaktionsgases zu der Membran-Elektroden-Anordnung 10 durch die Gasdiffusionsschicht 30 konfiguriert sein. Der Mikroporenkörper 60 ist zwischen der Trennplatte 50 und der Gasdiffusionsschicht 30 angeordnet. Mit anderen Worten verursacht der Mikroporenkörper 60 eine Strömung des Reaktionsgases und erzeugten Wassers in die Vielzahl von Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50. Der Mikroporenkörper 60 kann aus Metall- oder Kohlenstoffschaum bestehen und ein vorbestimmtes Öffnungsverhältnis (z.B. Porosität) aufweisen. Des Weiteren kann der Mikroporenkörper 60 aus einem Drahtgeflecht bestehen.
Ein poröser Formkörper, bei dem feine Öffnungen 61 und Strömungskanäle 63 in einer dünnen Metalldoppelplatte ausgebildet sind, wird nachstehend als ein beispielhafter Mikroporenkörper 60 beschrieben. Der poröse Formkörper kann eine dreidimensionale Mikroporenstruktur aufweisen und leichter hergestellt werden, wobei dadurch eine Massenproduktion ermöglicht wird. Der Mikroporenkörper 60 kann eine Mikroporenstruktur vom Typ eines offenen Strömungsfeldes aufweisen, die in eine Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50 eingebracht werden kann, um den Reaktionswirkungsgrad der Brennstoffzellen 100 zu erhöhen. Insbesondere kann der Mikroporenkörper 60 aus einem beliebigen Material der Materialien bestehen, die Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Zinkmetall oder eine Metalllegierung mit einer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit enthalten. Der Mikroporenkörper 60 kann eine Struktur liefern, die ein Reaktionsgas und erzeugtes Wasser durch den Mikroporenkörper passieren lassen kann. Beispielsweise kann der Mikroporenkörper ein hohes Oberflächenbereichsverhältnis pro Volumeneinheit und eine ausgezeichnete Festigkeit aufweisen, da zahlreiche Blasen innerhalb der Metallmaterialien verbunden sind.
Des Weiteren kann der Mikroporenkörper 60 ein lokales Diffusionsvermögen eines Reaktionsgases durch die Mikroporen verbessern, eine Bewegung des Reaktionsgases und erzeugten Wassers ermöglichen und einen Oberflächendruck durch gleichmäßiges Zusammendrücken der Gasdiffusionsschicht 30 verteilen. Genauer ist der Mikroporenkörper 60 mit der Trennplatte 50 integriert. Der Mikroporenkörper 60 ist mit den Sperrrippen 20 der Trennplatte 50 verbunden und verursacht eine Strömung des Reaktionsgases und erzeugten Wassers innerhalb der Reaktionsbereiche 55 der Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50.
Mit anderen Worten enthält der Mikroporenkörper 60 poröse Einheiten 71, die in den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 52 angeordnet sind, und eine Verbindungseinheit 73, die einstückig mit den porösen Einheiten 71 verbunden ist und die Sperrrippen 20 flach berührt. Die porösen Einheiten 71 können feine Poren aufweisen und der Gasdiffusionsschicht 30 entsprechen. Des Weiteren können die feinen Poren in den Reaktionsbereichen 55 der Trennplatten 50 angeordnet werden. Wie oben beschrieben wurde, fungieren die porösen Einheiten 71 dazu, ein Reaktionsgas und erzeugtes Wasser innerhalb der Reaktionsbereiche 55 strömen zu lassen.
Des Weiteren verbindet die Verbindungseinheit 73 die porösen Einheiten 71 einstückig, die in den Reaktionsbereichen 55 angeordnet sind. Die Verbindungseinheit 73 weist eine im Wesentlichen flache Form auf und ist mit den Sperrrippen 20 flach verbunden. Die Verbindungseinheit 73 geht durch die Sperrrippenflächen der Sperrrippen 20 zwischen den porösen Einheiten 71 und ist mit den Sperrrippen 20 einstückig verbunden, wobei eine ebene Oberfläche mit den Sperrrippen 20 in Kontakt steht. Die Verbindungseinheit 73 bildet eine ebene Oberfläche 75 bilden, die mit den Sperrrippenflächen der Sperrrippen 20 flach in Kontakt steht. Die ebene Oberfläche 75 kann mit den Sperrrippenflächen der Sperrrippen 20 unter Verwendung eines Lasers oder von Klebstoffen bzw. Haftmitteln einstückig verbunden werden.
Effekte der Brennstoffzelle 100, die oben nach einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben wurde, werden nachstehend in Bezug auf die offenbarten Zeichnungen detailliert beschrieben werden. Zunächst kann bei einer beispielhaften Ausführungsform Wasserstoffgas (z.B. ein Reaktionsgas) dem Einlassverteiler 51 der Trennplatte 50 auf einer Seite zugeführt werden und Luft (z.B. ein Reaktionsgas) dem Einlassverteiler 51 der Trennplatte 50 auf der anderen Seite zugeführt werden.
Das Reaktionsgas kann durch die Kanäle 41 der Kanaleinheit 40 diffundiert werden und von der Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50 zu den Reaktionsbereichen 55 verteilt und geführt werden und gleichmäßig in die poröse Einheit 71 des Mikroporenkörpers 60 der Reaktionsbereiche 55 zugeführt werden. Insbesondere unterteilen die Sperrrippen 20 die Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50 in die Vielzahl von Reaktionsbereichen 55. Die Sperrrippen 20 können die Kanäle 41 der Kanaleinheit 40 in die Vielzahl von Kanalgruppen 45 unterteilen. Zudem kann das Reaktionsgas zu den Reaktionsbereichen 55 der Reaktionsfläche 53 durch die Kanalgruppen 45 der Kanäle 41 geführt werden und von den Reaktionsbereichen 55 zu der porösen Einheit 71 des Mikroporenkörpers 60 gleichmäßig zugeführt werden.
Da die poröse Einheit 71 des Mikroporenkörpers 60 innerhalb der Reaktionsbereiche 55 gebildet wird, kann des Weiteren bei einer Ausführungsform das Reaktionsgas durch die Mikroporen der porösen Einheit 71 strömen. Beispielsweise können das lokale Diffusionsvermögen des Reaktionsgases verbessert werden, die poröse Einheit 71 die Gasdiffusionsschicht 30 gleichmäßig zusammendrücken und der an die Gasdiffusionsschicht 30 angelegte Oberflächendruck verteilt werden.
Das Reaktionsgas (d.h. Wasserstoffgas und Luft) kann durch die Gasdiffusionsschicht 30 diffundiert werden und der Anodenschicht und Kathodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugeführt werden. Die Anodenschicht und die Kathodenschicht können elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen und Wasser unter Verwendung von Wärme und Kondenswasser erzeugen. Des Weiteren kann das Reaktionsgas durch die porösen Einheiten 71 des Mikroporenkörpers 60 strömen und zu dem Auslassverteiler 52 durch die Kanäle 41 der Kanaleinheit 40 abgeführt werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann Wärme, die durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, wie oben beschrieben wurde, durch ein Kühlmittel gekühlt werden, das durch den Kühlweg 80 zwischen den Trennplatten 50 der Brennstoffzellen 100 strömen kann. Die Brennstoffzelle 100, die oben beschrieben wurde, enthält die Sperrrippen 20, die die Reaktionsfläche 53 der Trennplatte 50 in die Vielzahl von Reaktionsbereichen 55 unterteilen, die Kanaleinheit 40, die ein Reaktionsgas zu den Reaktionsbereichen 55 gleichmäßig verteilen kann, und den Mikroporenkörper 60, der innerhalb der Reaktionsbereiche 55 angeordnet ist. Zudem kann bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Reaktionsgas weiterhin zu der porösen Einheit 71 des Mikroporenkörpers 60 gleichmäßig verteilt werden. Die Leistung der Brennstoffzelle kann selbst bei einer äußeren unmittelbaren Störung, wie beispielsweise ein übermäßiger Eintritt von Kondenswasser, stabil beibehalten werden. Ferner kann die Stagnation einer Strömung eines Reaktionsgases, die einer partiellen Neigung von Wasser, das durch eine Reaktion erzeugt wird, zuzuschreiben ist, verhindert werden, wobei dadurch die Leistung eines Brennstoffzellenstapels verbessert wird.
Des Weiteren kann bei einer beispielhaften Ausführungsform eine Kühlleistung der Brennstoffzelle verbessert werden, da die Nuten 21, die die Sperrrippen 20 bilden, als die Kühlwege 80 verwendet werden können, durch die ein Kühlmittel strömt. Andere Effekte der Brennstoffzelle 100 können mit einem Vergleichsbeispiel verglichen und hierin beschrieben werden.
5 ist eine beispielhafte Ausführungsform, die ein Vergleichsbeispiel zum Veranschaulichen eines anderen Effekts der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In Bezug auf 5 kann die Brennstoffzelle 1 des Vergleichspeispiels, das einer beispielhaften Ausführungsform entspricht, konfiguriert sein, um eine Reaktionsfläche einer Trennplatte 5 in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen 6 durch Sperrrippen 3 zu unterteilen, und Mikroporenkörper 7 in den Reaktionsbereichen und voneinander getrennt einrichten. Insbesondere kann bei dem Vergleichsbeispiel, da die Mikroporenkörper 7, die voneinander getrennt sind, in den Reaktionsbereichen 6 der Trennplatte 5 eingerichtet werden können, die Anzahl von Mikroporenkörper 7 zunehmen, während die Anzahl von Sperrrippen 3 zunehmen kann, um die Verteilung eines Reaktionsgases zu verbessern. Infolgedessen kann bei dem Vergleichsbeispiel eine Vielzahl der Mikroporenkörper 7, die voneinander getrennt sind, in die Reaktionsbereiche 6 der Trennplatte 5 gesetzt bzw. in denselben platziert werden. Zudem kann die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem vertikalen Stapeln von mehreren hundert Brennstoffzellen 1 schwierig werden.
Beispielsweise können bei dem Vergleichsbeispiel in der Annahme, dass die Anzahl von Sperrrippen 3 3 beträgt, die voneinander getrennten Mikroporenkörper 7 in den jeweiligen Reaktionsbereichen 6 eingerichtet werden und folglich muss ein Prozess zum Stapeln der Mikroporenkörper 7 auf der Brennstoffzelle 1 einer einzelnen Zelle viermal durchgeführt werden. Folglich kann die Zeit, die zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem vertikalen Stapeln von mehreren hundert Brennstoffzellen 1 erfordert wird, verlängert werden. Da der Mikroporenkörper 7 aus einer dünnen Metallplatte von ca. 0,1 t oder geringer gebildet werden kann, kann es bei dem Vergleichsbeispiel schwierig sein, die gesamte Form durch den Mikroporenkörper 7 selbst beizubehalten. Des Weiteren kann das Handhaben des Mikroporenkörpers 7 in einem Prozess zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels durch Stapeln der Brennstoffzellen 1 schwierig sein.
Bei dem Vergleichsbeispiel kann, wenn die Mikroporenkörper 7 versetzt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, die Präzision zum Stapeln des Brennstoffzellenstapels verschlechtert werden, da sich die Mikroporenkörper 7 biegen können. Bei dem Vergleichsbeispiel liegt kein Verbindungsbereich vor, in dem die Mikroporenkörper 7 mit der Trennplatte 5 verbunden werden können, da kein spezifischer flacher Abschnitt in der Form der voneinander getrennten Mikroporenkörper 7 enthalten ist. Zudem besteht bei dem Vergleichsbeispiel ein Nachteil darin, dass das Volumen eines Brennstoffzellenstapels erhöht wird, da ein separater Verbindungsbereich, in dem die Mikroporenkörper 7 mit der Trennplatte 5 verbunden werden, in dem Rand der Mikroporenkörper 8 separat ausgebildet werden muss.
Die Brennstoffzelle 100 enthält die Mikroporenkörper 60, die jeweils die porösen Einheiten 71, die in den Reaktionsbereichen 55 der Trennplatten 50 angeordnet sind, die durch die Sperrrippen 20 unterteilt sind, und die Verbindungseinheiten 73 enthalten, die mit den porösen Einheiten 71 einstückig verbunden und mit den Sperrrippen 20 flach verbunden sind. Bei dem Mikroporenkörper 60 entsprechen die porösen Einheiten 71 den jeweiligen Reaktionsbereichen 55 und werden durch die Verbindungseinheiten 73 einstückig verbunden und die Verbindungseinheiten 73 werden mit den Sperrrippen 20 einstückig verbunden. Daher kann die Anzahl von Prozessen zum Stapeln der Mikroporenkörper 60 auf der Brennstoffzelle 100 einer einzelnen Zelle auf eins verringert werden. Infolgedessen kann die Zeit, die zum Stapeln der Brennstoffzellen 100 erfordert wird, um einen Brennstoffzellenstapel herzustellen, auf ein Niveau von ca. 25% des Vergleichsbeispiels verkürzt werden.
Der Mikroporenkörper 60 weist eine Vielzahl der porösen Einheiten 71 auf, die durch die Verbindungseinheiten 73 einstückig verbunden sind, und die Verbindungseinheiten 73 selbst fungieren als Wülste. Mit anderen Worten kann die Steifigkeit des Mikroporenkörpers 60 erhöht werden und, wenn der Mikroporenkörper 60 versetzt werden kann, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, die Präzision zum Stapeln des Brennstoffzellenstapels verbessert werden, da verhindert werden kann, dass der Mikroporenkörper 60 gebogen wird. Da die ebene Oberfläche 75 in der Verbindungseinheit 73 ausgebildet wird, mit der die porösen Einheiten 61 des Mikroporenkörpers 60 einstückig verbunden ist, kann bei einer beispielhaften Ausführungsform die Verbindungseinheit 73 als ein Verbindungsbereich verwendet werden, in dem die Trennplatte 50 und der Mikroporenkörper 60 verbunden werden können. Folglich kann ein Brennstoffzellenstapel kompakter konfiguriert werden.
Umgekehrt werden bei dem Vergleichsbeispiel zum Platzieren der Mikroporenkörper 7 getrennt voneinander, um zu verhindern, dass die Mikroporenkörper 7 die Sperrrippen 3 beeinträchtigen, die Mikroporenkörper 7 in den jeweiligen Reaktionsbereichen 6 mit einem Spielraum bzw. einer Grenze (margin) zwischen dem Mikroporenkörper 7 und der Sperrrippe 3 eingerichtet. Der Raum zwischen dem Mikroporenkörper 7 und der Sperrrippe 3 weist jedoch eine minimale Differenz des Drucks im Vergleich zu dem Strömungskanal des Mikroporenkörpers 7 auf. Folglich kann der Raum aufgrund einer Strömung eines Reaktionsgases, die zu neigen ist, problematisch sein und verschlechtert die Nutzung des Reaktionsgases. Ferner muss bei dem Vergleichsbeispiel eine Stapelungsgrenze mit einem spezifischen Abstand oder größer sichergestellt werden, um die Mikroporenkörper 7 in den Reaktionsbereichen 6 zwischen den Sperrrippen 3 zu platzieren.
Zudem bestehen die Trennplatte 5 und der Mikroporenkörper 7 aus einer dünnen Metallplatte von ca. 0,1 t oder geringer. Es kann schwierig sein, die Flachheit sicherzustellen, und eine Stapelungsgrenze zwischen der Sperrrippe 3 und dem Mikroporenkörper 7 kann ca. 2 mm oder mehr betragen. Folglich besteht bei dem Vergleichsbeispiel in der Annahme, dass die Anzahl der Sperrrippen 3 3 beträgt, wenn vier voneinander getrennte Mikroporenkörper 7 in den Reaktionsbereichen 6 zwischen den Sperrrippen 3 einzurichten sind, ein Gesamtbereich von ca. 8 mm oder mehr, auf den kein Mikroporenkörper angewandt wird, da ein Grenzraum von ca. 2 mm oder mehr für jeden Mikroporenkörper 7 sichergestellt werden muss. Infolgedessen tritt bei dem Vergleichsbeispiel ein Ereignis auf, bei dem eine Strömung eines Reaktionsgases in dem Bereich geneigt wird, auf den kein Mikroporenkörper angewandt wurde, der Grenzraum der Sperrrippe 3 und des Mikroporenkörpers 7. Dies kann zu einer Verringerung der Nutzung eines Reaktionsgases führen.
Hingegen sind die porösen Einheiten 71, die den jeweiligen Reaktionsbereichen 55 entsprechen, durch die Verbindungseinheiten 73 einstückig verbunden und die Verbindungseinheiten 73 sind mit den Sperrrippen 20 einstückig verbunden, wobei dadurch der Mikroporenkörper 60 gebildet wird. Ein Stapelungsgrenzbereich zwischen der porösen Einheit 71 und der Sperrrippe 20 des Mikroporenkörpers 60 kann auf ca. 25 % oder kleiner im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel verringert werden. Zudem kann eine Verbesserung der Leistung einer Brennstoffzelle gemäß einer Erhöhung der Nutzung eines Reaktionsgases beobachtet werden.
6 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Graphen, der eine Analyse einer Strömung innerhalb der Trennplatte nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Analyse einer Strömung innerhalb der Trennplatte nach dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Aus 6 geht hervor, dass ein Reaktionsgas mit einem nachhaltig konstanten Niveau in dem Mikroporenkörper 7 verteilt werden kann und sich die Strömungsrate des Reaktionsgases in dem Abschnitt der Sperrrippen 3 schnell erhöhen kann, da die Mikroporenkörper 7 in den jeweiligen Reaktionsbereichen 6 mit einer Grenze zwischen dem Mikroporenkörper 7 und der Sperrrippe 3 bei dem Vergleichsbeispiel eingerichtet werden können. Der Grund dafür ist, dass eine Strömung des Reaktionsgases in Richtung des Leerraums zwischen dem Mikroporenkörper 7 und der Sperrrippe 3 geneigt wird. Folglich kann bei dem Vergleichsbeispiel die Nutzung eines Reaktionsgases verringert werden.
Umgekehrt kann bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Raum zwischen der porösen Einheit 71 und der Sperrrippe 20 minimiert werden, da die porösen Einheiten 71, die den Reaktionsbereichen der Trennplatte 50 entsprechen, durch die Verbindungseinheiten 73 einstückig verbunden werden und die Verbindungseinheiten 73 mit den Sperrrippen 20 verbunden werden. Aus 6 ist ersichtlich, dass folglich keine schnelle Neigung einer Strömung eines Reaktionsgases in dem Abschnitt der Sperrrippe 20 erzeugt werden kann und das Reaktionsgas eine gleichmäßige Verteilungsabweichung aufweisen kann.
7 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Graphen, der eine Leistungsevaluation der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Evaluation der Brennstoffzelle nach dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Bei dem Vergleichsbeispiel kann, wie oben beschrieben wurde, die Nutzung eines Reaktionsgases verringert werden, da eine Strömung des Reaktionsgases in Richtung des Leerraums zwischen dem Mikroporenkörper 7 und der Sperrrippe 3 geneigt werden kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann, da der Raum zwischen der porösen Einheit 71 und der Sperrrippe 20 minimiert werden kann, ein Reaktionsgas gleichmäßig verteilt werden, da keine schnelle Neigung einer Strömung des Reaktionsgases in dem Abschnitt der Sperrrippe 20 erzeugt werden kann. Folglich tritt bei einer beispielhaften Ausführungsform, wie bei den Leistungsevaluationsergebnissen der Brennstoffzelle, die in 7 veranschaulicht sind, eine Verbesserung der Leistung von ca. 1 % oder mehr in einem Abschnitt mit einem hohen Strom im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel auf.
Beschreibung von Symbolen

10: Membran-Elektroden-Anordnung
20: Sperrrippe
21: Nut
30: Gasdiffusionsschicht
40: Kanaleinheit
41: Kanal
43: Rippe
45: Kanalgruppe
50: Trennplatte
51: Einlassverteiler
52: Auslassverteiler
53: Reaktionsfläche
55: Reaktionsbereich
60: Mikroporenkörper
61: Mikroöffnung
63: Strömungskanal
71: Poröse Einheit
73: Verbindungseinheit
75: Ebene Oberfläche
80: Kühlweg

Claims

Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und Trennplatten, die auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind, wobei die Brennstoffzelle Folgendes aufweist: Sperrrippen, die in Reaktionsflächen der Trennplatten ausgebildet sind, die der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechen, und zum Unterteilen der Reaktionsflächen in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen konfiguriert sind; und einen Mikroporenkörper, der aus einer dünnen Metallplatte gebildet wird und der zwischen der Trennplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, wobei der Mikroporenkörper poröse Einheiten, die in der Vielzahl von Reaktionsbereichen angeordnet sind, und eine Verbindungseinheit enthält, die eine ebene Oberfläche bildet und die mit den porösen Einheiten verbunden ist und konfiguriert ist, um mit den Sperrrippen flach in Kontakt zu geraten, um den Mikroporenkörper in eine Vielzahl von Bereichen zu unterteilen, die der Vielzahl von Reaktionsbereichen entsprechen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Mikroporenkörper und die Trennplatten miteinander verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Verbindungseinheit mit der Sperrrippe durch Laserbonden verbunden wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Mikroporenkörper als ein poröser Formkörper mit einer Vielzahl von feinen Öffnungen und einem Strömungskanal gebildet wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die ebene Oberfläche mit der Sperrrippe durch Laserbonden verbunden wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Sperrrippe als eine Nut in einer Oberfläche gegenüber der Reaktionsfläche ausgebildet wird und in die Reaktionsfläche hervorsteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die Nut als ein Kühlweg ausgebildet wird, durch den ein Kühlmittel strömt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Trennplatte Folgendes enthält: Einlass- und Auslassverteiler, durch die das Reaktionsgas zugeführt und abgeführt wird; und eine Kanaleinheit, die mit dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler verbunden wird und zum Führen des Reaktionsgases zu den Reaktionsbereichen konfiguriert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Kanaleinheit Kanäle enthält, die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu den Reaktionsbereichen erweitert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Kanäle Längen aufweisen, die von einer ersten Seite des Einlassverteilers und des Auslassverteilers zu einer zweiten Seite graduell vergrößert sind, und mit den Reaktionsbereichen verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Kanaleinheit Rippen enthält, die zwischen den Kanälen ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Sperrrippe mit einer Rippe verbunden ist und die Reaktionsfläche der Trennplatte in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen unterteilt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die Sperrrippe die Kanäle in eine Vielzahl von Kanalgruppen unterteilt, die mit den Reaktionsbereichen verbunden sind.
Trennplatte für eine Brennstoffzelle, die auf allen beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist und zum Zuführen eines Reaktionsgases zu der Membran-Elektroden-Anordnung konfiguriert ist, wobei die Trennplatte Folgendes aufweist: Sperrrippen, die in Reaktionsflächen der Trennplatten ausgebildet sind, die der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechen, und zum Unterteilen der Reaktionsflächen in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen; Einlass- und Auslassverteiler, in die das Reaktionsgas zugeführt und aus denen dasselbe abgeführt wird, und zum Führen des Reaktionsgases zu der Vielzahl von Reaktionsbereichen; und einen Mikroporenkörper, der aus einer dünnen Metallplatte gebildet wird und der mit den Sperrrippen einstückig verbunden ist, und der eine Strömung des Reaktionsgases und des erzeugten Wassers in die Vielzahl von Reaktionsbereichen verursacht, wobei der Mikroporenkörper poröse Einheiten, die in der Vielzahl von Reaktionsbereichen angeordnet sind, und eine Verbindungseinheit enthält, die eine ebene Oberfläche bildet und die mit den porösen Einheiten verbunden ist und konfiguriert ist, um mit den Sperrrippen flach in Kontakt zu geraten.
Trennplatte nach Anspruch 14, wobei der Mikroporenkörper als ein geformter poröser Körper mit feinen Öffnungen und einem Strömungskanal gebildet wird, und die Verbindungseinheit, die eine flache Form enthält, mit der Sperrrippe durch Laserbonden einstückig verbunden wird.
Trennplatte nach Anspruch 14, wobei eine Kanaleinheit der Trennplatte Kanäle enthält die von dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler zu den Reaktionsbereichen erweitert sind, und die Kanäle Längen aufweisen, die von einer ersten Seite des Einlassverteilers und des Auslassverteilers zu einer zweiten Seite zunehmen und mit den Reaktionsbereichen verbunden sind.
Trennplatte nach Anspruch 16, wobei Rippen zwischen den Kanälen hervorstehen und die Sperrrippe mit einer Rippe verbunden ist und die Reaktionsfläche in eine Vielzahl von Reaktionsbereichen unterteilt.
Trennplatte nach Anspruch 16, wobei die Sperrrippe die Kanäle in eine Vielzahl von Kanalgruppen unterteilt, die mit den Reaktionsbereichen verbunden sind.
Trennplatte nach Anspruch 14, wobei die Sperrrippe als eine Nut in einer Oberfläche gegenüber der Reaktionsfläche ausgebildet ist und in die Reaktionsfläche hervorsteht und die Nut als ein Kühlweg ausgebildet ist, durch den ein Kühlmittel strömt.