DE102017111951B4

DE102017111951B4 - Brennstoffzelleneinzelzelle

Info

Publication number: DE102017111951B4
Application number: DE102017111951.5A
Authority: DE
Inventors: Daisuke Hayashi; Atsushi Ida; Kazunori Shibata; Nobuaki Nonoyama; Shuji Kurita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: JP6354797B2; DE102017111951A1; CN107546400A; US20170373336A1; JP2017228482A; CN107546400B; US10164281B2

Abstract

Brennstoffzelleneinzelzelle (140) zum Ausbilden eines Brennstoffzellenstapels (100), in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinzelzellen (140) gestapelt ist, während ein kathodenseitiger Separator (40) und ein anodenseitiger Separator (50) benachbarter Brennstoffzelleneinzelzellen einander berühren, wobei die Brennstoffzelleneinzelzelle aufweist:eine Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe (21);einen kathodenseitigen Separator (40), der aus einer pressgeformten Platte besteht, wobei der kathodenseitige Separator eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen (42, 42p, 42t) und zwischen diesen liegende Nichtströmungswegbereiche (46, 46a) auf einer kathodenseitigen Fläche der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe bildet; undeinen anodenseitigen Separator (50), der aus einer pressgeformten Platte besteht, wobei der anodenseitige Separator eine Mehrzahl von Anodengasströmungswegen (52) und zwischen diesen liegende Nichtströmungswegbereiche (56) auf einer anodenseitigen Fläche der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe bildet, wobeizumindest ein Gasströmungsweg der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen einen einengenden Abschnitt (43, 43a, 43m, 43n, 43x, 43y) hat, der ausgestaltet ist, um eine Strömungsweghöhe in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinzelzellen zu verringern und einen Strömungswegquerschnittsbereich des Gasströmungswegs zu verringern,dadurch gekennzeichnet, dass,in Stapelrichtung projiziert und entlang derselben betrachtet, die Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und die Mehrzahl von Anodengasströmungswegen derart ausgestaltet sind, dass sie wechselseitig unterschiedliche zweidimensionale Formen haben, es Kreuzungspunkte (c) gibt, an denen die Kathodengasströmungswege und die Anodengasströmungswege einander kreuzen, und der einengende Abschnitt an einer anderen Stelle angeordnet ist, als die Kreuzungspunkte.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinzelzelle.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle hat allgemein einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinzelzellen gestapelt ist. Jede Einzelzelle hat eine Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe mit einem Strom- bzw. Leistungserzeugungsbereich sowie zwei Separatoren, welche die Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Die Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe ist derart ausgestaltet, dass eine Elektrolytmembran sandwichartig zwischen zwei Elektrodenkatalysatorschichten aufgenommen ist, die wiederum sandwichartig zwischen zwei Gasdiffusionsschichten aufgenommen sind. Der Stromerzeugungsbereich ist ein Bereich, der mit einem Bereich übereinstimmt, in welchem die beiden Elektrodenkatalysatorschichten einander überlappen. Auf einer Fläche eines jeden Separators ist eine Mehrzahl von Reaktionsgasströmungswegen ausgebildet, um der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe Reaktionsgas zuzuführen. Genauer gesagt ist eine Mehrzahl von Brenngasströmungswegen (Anodengasströmungswegen) auf einer Fläche des anodenseitigen Separators der beiden Separatoren ausgebildet, und eine Mehrzahl von Oxidationsgasströmungswegen (Kathodengasströmungswegen) ist auf einer Fläche des kathodenseitigen Separators ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel hat grundsätzliche eine Stapelstruktur, in welcher ein anodenseitiger Separator und ein kathodenseitiger Separator benachbarter Einzelzellen einander berühren (miteinander in Kontakt stehen).
Die WO 2013/105 956 A beschreibt eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff, in der einengende Abschnitte bzw. Einschnürungen sowohl in den Anodengasströmungswegen als auch den Kathodengasströmungswegen ausgebildet sind, um die Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe effizient mit Anodengas und Kathodengas zu versorgen. Die einengenden Abschnitte bzw. Einschnürungen werden durch Verringern der Höhe der Gasströmungswege ausgebildet. Wenn benachbarte Separatoren von zwei Einzelzellen einander an Außenwänden vorstehender Abschnitt der Gasströmungswege berühren bzw. miteinander in Kontakt stehen, stehen die Separatoren an den einengenden Abschnitten, die eine geringere Höhe in den Gasströmungswegen aufweisen, strukturell nicht miteinander in Kontakt.
Weitere Brennstoffzellen mit einengenden Abschnitten finden sich in der JP 2004-241141 A und in der US 2015/0180052 A .
Die genaue zweidimensionale Form der Kathodengasströmungswege und der Anodengasströmungswege kann sich abhängig von den gewünschten Eigenschaften unterscheiden. Beispielsweise gilt für die Kathodengasströmungswege, dass deren bevorzugte Strömungsweggestalt derart ist, dass flüssiges Wasser, das bei den Reaktionen in der Brennstoffzelle erzeugt wird, leichter ausgetragen werden kann. Für die Anodengasströmungswege andererseits gilt, dass die bevorzugte Strömungsweggestalt derart ist, dass der Nutzungsgrad des Anodengases (z.B. Wasserstoff) verbessert werden kann. Zudem können sich die bevorzugten Strömungsweggestalten auch abhängig von der Anordnung von Gassammelrohröffnungen unterscheiden. Wenn dementsprechend die Kathodengasströmungswege und die Anodengasströmungswege voneinander verschiedene zweidimensionale Formen haben, ist es möglich, dass, im Vergleich zu Fällen, bei denen die Gasströmungswege wie in der WO 2013/105 956 A identische zweidimensionale Formen haben, Kontaktabschnitte zwischen dem kathodenseitigen Separator und dem anodenseitigen Separator zweier benachbarter Brennstoffzelleneinzelzellen verringert sind. Aus diesem Grund besteht das Problem, dass abhängig von der Stelle der einengenden Abschnitte bzw. Einschnürungen, Kontaktabschnitte, über welche der kathodenseitige Separator und der anodenseitige Separator zweier benachbarter Brennstoffzelleneinzelzellen miteinander in Kontakt stehen, verringert sein können, mit dem Ergebnis, dass eine Druckkraft übermäßig in anderen Abschnitten konzentriert sein kann.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung, die gemacht wurde, um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, kann anhand der nachfolgenden Aspekte verwirklicht werden.
(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinzelzelle zum Ausbilden eines Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinzelzellen gestapelt ist, während ein kathodenseitiger Separator und ein anodenseitiger Separator benachbarter Brennstoffzelleneinzelzellen einander berühren. Die Brennstoffzelleneinzelzelle weist auf: eine Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe; einen kathodenseitigen Separator, der aus einer pressgeformten Platte besteht, wobei der kathodenseitige Separator eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und zwischen diesen liegende Nichtströmungswegbereiche auf einer Kathodenseitigen Fläche der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe bildet; und einen anodenseitigen Separator, der aus einer pressgeformten Platte besteht, wobei der anodenseitige Separator eine Mehrzahl von Anodengasströmungswegen und zwischen diesen liegende Nichtströmungswegbereiche auf einer Anodenseitigen Fläche der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe bildet. Zumindest ein Gasströmungsweg der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen hat einen einengenden Abschnitt bzw. eine Einschnürung, der/die ausgestaltet ist, um eine Strömungsweghöhe in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinzelzellen zu verringern und einen Strömungswegquerschnittsbereich des Gasströmungswegs zu verringern. In Stapelrichtung projiziert und entlang derselben betrachtet, sind die Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und die Mehrzahl von Anodengasströmungswegen derart ausgestaltet, dass sie wechselseitig unterschiedliche zweidimensionale Formen haben, es Kreuzungspunkte gibt, an denen die Kathodengasströmungswege und die Anodengasströmungswege einander kreuzen, und der einengende Abschnitt an einer anderen Stelle angeordnet ist, als die Kreuzungspunkte.
Bei der Brennstoffzelleneinzelzelle dieses Aspekts werden, da der einengende Abschnitt bzw. die Einschnürung eines Gasströmungswegs an einer anderen Stelle als den Kreuzungspunkten der Kathodengasströmungswege und der Anodengasströmungswege ausgebildet ist, Kontaktabschnitte zwischen zwei Separatoren nicht aufgrund der Anordnung des einengenden Abschnitts verringert, wodurch eine übermäßige Konzentration der Druckkraft in anderen Abschnitten verhindert werden kann.
(2) Bei einem anderen Aspekt kann einer der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen derart ausgestaltet sein, dass er gerade Strömungswegabschnitte hat, über welche eine Mehrzahl von Gasströmungswegen linear und zueinander parallel verlaufen, und der andere der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen kann derart ausgestaltet sein, dass er gebogene Strömungswegabschnitte hat, in denen eine Mehrzahl von Gasströmungswegen mäanderartig oder gebogen ist, während sie einen Abstand voneinander einhalten. Gemäß der Brennstoffzelleneinzelzelle dieses Aspekts werden, da der einengende Abschnitt bzw. die Einschnürung eines Gasströmungswegs an einer anderen Stelle als den Kreuzungspunkten der geraden Strömungswegabschnitte und der gebogenen Strömungswegabschnitte ausgebildet ist, Kontaktabschnitte zwischen zwei Separatoren nicht aufgrund der Anordnung des einengenden Abschnitts verringert, wodurch eine übermäßige Konzentration der Druckkraft in anderen Abschnitten verhindert werden kann.
(3) Gemäß einem weiteren Aspekt können die geraden Strömungswegabschnitte im kathodenseitigen Separator ausgebildet sein, und die gebogenen Strömungswegabschnitte können im anodenseitigen Separator ausgebildet sein. Gemäß der Brennstoffzelleneinzelzelle dieses Aspekts wird, da die geraden Strömungswegabschnitte im kathodenseitigen Separator ausgebildet sind, die Austrageffizienz von flüssigem Wasser aus den Kathodengasströmungswegen verbessert. Zudem wird, da die gebogenen Strömungswegabschnitte im anodenseitigen Separator ausgebildet sind, die Weglänge der Anodengasströmungswege verlängert, wodurch der Nutzungsgrad des Anodengases verbessert werden kann.
(4) Bei einem weiteren Aspekt kann der einengende Abschnitt in jedem von zwei nebeneinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden Gasströmungswegen in zumindest einem von der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen ausgebildet sein, und die in den beiden Gasströmungswegen ausgebildeten einengenden Abschnitte können an nicht nebeneinanderliegenden Stellen in eine Richtung senkrecht zu einer parallel verlaufenden Richtung angeordnet sein. Gemäß der Brennstoffzelleneinzelzelle dieses Aspekts wird der Gasnutzungsgrad verbessert, da das durch zwei nebeneinanderliegende bzw. benachbarte Gasströmungswege fließende Gas durch die mit den Nichtströmungswegbereichen in Kontakt stehenden Gasdiffusionsschichten vor und nach den jeweiligen einengenden Abschnitten bzw. Einschnürungen verteilt wird.
(5) Bei einem weiteren Aspekt kann der einengende Abschnitt an einer anderen Stelle ausgebildet sein, als ein Auslass des zumindest einen Gasströmungswegs. Die Brennstoffzelleneinzelzelle dieses Aspekts vermeidet das Auftreten des Phänomens, wonach Auslässe der Gasströmungswege mit flüssigem Wasser zugesetzt werden, was zu einer Drosselung der Strömung des Gases in die jeweiligen Gasströmungswege führt.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene andere Art und Weise als den vorstehend beschriebenen Aspekten ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Erfindung in Form von Brennstoffzellenstapeln, Brennstoffzellensystemen sowie Brennstoffzellenfahrzeugen ausgeführt werden.
Figurenliste

1 zeigt eine erläuternde Darstellung eines schematischen Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen kathodenseitigen Separator der ersten Ausführungsform;
3A - 3C zeigen Schnittansichten von Kathodengasströmungswegen;
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen anodenseitigen Separator;
5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Aspekts, der sich ergibt, wenn Kathodengasströmungswege und Anodengasströmungswege in Stapelrichtung projiziert und entlang derselben betrachtet werden;
6A - 6C zeigen Schnittansichten eines kathodenseitigen Separators und eines anodenseitigen Separators von wechselseitig benachbarten Einzelzellen;
7 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Aspekts, bei dem Kathodengas durch Kathodengasströmungswege fließt;
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen kathodenseitigen Separator gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
9A - 9B zeigen Schnittansichten von Kathodengasströmungswegen bei der zweiten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 ist eine erläuternde Darstellung, die einem schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 hat einen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasste eine Endplatte 110, eine Isolierplatte 120, eine Stromsammelplatte 130, eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinzelzellen (nachfolgend als „Einzelzellen“ abgekürzt) 140, eine weitere Stromsammelplatte 130, eine weitere Isolierplatte 120 sowie eine weitere Endplatte 110 in dieser Reihenfolge gestapelt. Eine Stapelrichtung Z der Einzelzellen 140 ist eine horizontale Richtung senkrecht zu einer vertikalen Richtung Y. Eine Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene sowie senkrecht zu sowohl der vertikalen Richtung Y als auch der Stapelrichtung Z ist eine horizontale Richtung X.
Wasserstoff wird dem Brennstoffzellenstapel 100 über ein Sperrventil 151, einen Regler 152 sowie eine Leitung 153 als Anodengas von einem Wasserstofftank 150 zugeführt, in dem Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Anodengas, das im Brennstoffzellenstapel 100 nicht verwendet wurde, wird über eine Austragleitung 163 aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen. Das Brennstoffzellensystem 10 kann ferner einen Rezirkulationsmechanismus zum Zurückführen von Anodenabgas zur Seite der Leitung 153 aufweisen. Luft wird dem Brennstoffzellenstapel 100 als Kathodengas über eine Luftpumpe 160 und einer Leitung 161 zugeführt. Kathodengas, das im Brennstoffzellenstapel 100 nicht verwendet wurde, wird über eine Austragleitung 154 aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen. Es sei angemerkt, dass Anodengas und Kathodengas auch als Reaktionsgase bezeichnet werden können.
Zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 100 wird dem Brennstoffzellenstapel 100 über eine Wasserpumpe 171 sowie eine Leitung 172 ein durch einen Radiator 170 gekühltes Kühlmittel zugeführt. Aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgegebenes Kühlmittel wird über eine Leitung 173 zum Radiator 170 zirkuliert. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser, Ethylenglycol oder andere Frostschutzmittel sein.
Jede Einzelzelle 140 hat eine Membranelektrodenanordnung 30, zwei Gasdiffusionsschichten 20, ein Harzrahmenelement 60 sowie ein Paar Separatoren, d.h. einen anodenseitigen Separator 50 und einen kathodenseitigen Separator 40. Die Membranelektrodenanordnung 30 ist derart ausgestaltet, dass eine Anodenelektrodenkatalysatorschicht 31 sowie eine Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 32 auf beiden Seitenflächen der Elektrolytmembran angeordnet sind. Die Gasdiffusionsschichten 20 sind auf beide Seiten der Membranelektrodenanordnung 30 gestapelt. Die Membranelektrodenanordnung 30 sowie die beiden Gasdiffusionsschichten 20 bilden eine Membranelektroden- und Gasdiffusionschicht-Baugruppe (nachfolgen als „MEGA“ bezeichnet) 21. Das Harzrahmenelement 60 ist den Außenumfang der MEGA 21 umgebend angeordnet. Die MEGA 21 und das Harzrahmenelement 60 sind in Stapelrichtung Z sandwichartig durch den anodenseitigen Separator 50 und den kathodenseitigen Separator 40 aufgenommen.
Die beiden Separatoren 40, 50 haben Oberflächen mit darauf ausgebildeten Vorsprüngen und Vertiefungen (vorstehend und vertieft ausgebildete Flächen oder gekerbte Oberflächen), und Gasströmungswege 42, 52 werden durch das in Kontakt bringen von vorstehenden Abschnitten 46, 56 der vorstehend und vertieft ausgebildeten Flächen mit den Gasdiffusionsschichten 20 ausgebildet. Vertiefte Abschnitte der vorstehend und vertieft ausgebildeten Flächen erlauben ein Hindurchströmen von Gas, die vorstehenden Abschnitte 46, 56, die mit den Gasdiffusionsschichten 20 verbunden sind, erlauben dagegen kaum einen Fluss von Gas durch diese, sodass die vorstehenden Abschnitte 46, 56 als Nichtströmungswegabschnitte bezeichnet werden. Hinsichtlich des anodenseitigen Separators 50 ist eine Mehrzahl von streifenförmigen Anodengasströmungswegen 52 auf der Anodenseitenfläche der MEGA 21 ausgebildet, während eine Mehrzahl von streifenförmigen Kühlmittelströmungswegen 54 auf der gegenüberliegenden Fläche ausgebildet ist. Auf der anodenseitigen Fläche des anodenseitigen Separators 50 sind die Nichtströmungswegabschnitte 56 zwischen der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen 52 mit der Gasdiffusionsschicht 20 verbunden. Am kathodenseitigen Separator 40 ist eine Mehrzahl von streifenförmigen Kathodengasströmungswegen 42 auf der kathodenseitigen Fläche des kathodenseitigen Separators 40 ausgebildet. Auf der kathodenseitigen Fläche des kathodenseitigen Separators 40 sind zudem die Nichtströmungswegabschnitte 46 zwischen der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 mit der Gasdiffusionsschicht 20 verbunden.
2 ist eine schematische Draufsicht eines kathodenseitigen Separators 40 gesehen von der MEGA 21 bei der ersten Ausführungsform. In 2 sind einige Linien schattiert dargestellt, um Vorsprünge und Vertiefungen darzustellen. Der kathodenseitige Separator 40 und der anodenseitige Separator 50 sind als ein Element ausgebildet, das Gasbarriereeigenschaften hat und Elektronenleitfähig ist; beispielsweise können Edelstahl, Titan oder anderen Metallplatten, zur Verwendung als Separator genutzt werden. Der kathodenseitige Separator 40 und der anodenseitige Separator 50 sind pressgeformte Platten, die durch Pressen von Metallplatten gebildet werden.
In einem Randendabschnitt des kathodenseitigen Separators 40 in horizontale Richtung X sind eine Anodengaseinlasssammelrohröffnung 62, eine Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 84 sowie eine Kathodengaseinlasssammelrohröffnung 72 in absteigender Reihenfolge entlang der vertikalen Richtung Y ausgebildet. Gegenübergesetzt im anderen Randendabschnitt sind eine Kathodengasauslasssammelrohröffnung 74, eine Kühlmitteleinlasssammelrohröffnung 82 sowie eine Anodengasauslasssammelrohröffnung 64 in absteigender Reihenfolge entlang der vertikalen Richtung Y ausgebildet. Die Anodengaseinlasssammelrohröffnung 62 und die Anodengasauslasssammelrohröffnung 64, die Kathodengaseinlasssammelrohröffnung 72 und die Kathodengasauslasssammelrohröffnung 74, sowie die Kühlmitteleinlasssammelrohröffnung 82 und die Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 84 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei ein Mittelteil des kathodenseitigen Separators 40 zwischen diesen angeordnet ist. In einem Zustand, bei welchem die beiden Separatoren 40, 50 gestapelt sind, um die MEGA 21 sandwichartig zwischen sich aufnehmen, sind die Kathodengaseinlasssammelrohröffnung 72, die Kathodengasströmungswege 42 und die Kathodengasauslasssammelrohröffnung 74 miteinander verbunden und bilden eine Kathodengasströmungswegfläche 200.
In 2 ist ein Dichtungselement 80 am kathodenseitigen Separator 40 derart angeordnet, dass es die Sammelrohröffnungen 62, 64 für das Anodengas, die Sammelrohröffnungen 82, 84 für das Kühlmittel und die Kathodengasströmungswegfläche 200 umgibt. Das Dichtungselement 80 ist zur vereinfachten Darstellung schraffiert dargestellt. Das Dichtungselement 80 wird mit Flächen einer zusammengebauten Einheit der MEGA 21 und dem Harzrahmenelement 60 in Kontakt gebracht und dient zum Abdichten zwischen dem kathodenseitigen Separator 40 und der Baugruppe. Genauer gesagt dienen von dem Dichtungselement 80 diejenigen Abschnitte, welche die Sammelrohre 62, 64 umgeben, der Vermeidung einer Leckage von Anodengas, diejenigen Abschnitte, welche die Sammelrohre 82, 84 umgeben, dienen der Vermeidung einer Leckage von Kühlmittel, und diejenigen Abschnitte, welche die Kathodengasströmungswegfläche 200 umgeben, dienen der Vermeidung einer Leckage des Kathodengases. Das Dichtungselement 80 wird durch Spritzgießen, Pressformen oder dergleichen gebildet, wobei Kautschuk, ein thermoplastisches Elastomer oder dergleichen als Material für das Dichtungselement 80 verwendet werden können. Das Dichtungselement 80 kann mittels eines Klebstoffs am Separator befestigt werden.
Bezugnehmend auf 2 ist, wenn die MEGA 21 (siehe 1) in Stapelrichtung Z projiziert betrachtet wird, ein Stromerzeugungsbereich G1, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt wird, ein Bereich, über den die Anodenelektrodenkatalysatorschicht 31 und die Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 32 einander überlappen (d.h. ein Bereich, der das logische Produkt der beiden Schichten ist). Üblicherweise ist die Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 32 kleiner als die Anodenelektrodenkatalysatorschicht 31, sodass der Stromerzeugungsbereich G1 mit dem Bereich der Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 32 zusammenfällt. Auf der Kathodenseite des Stromerzeugungsbereichs G1 kommt es zu einer gemäß der nachstehenden Formel (1) dargestellten Reaktion: (½)O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O (1)
Von der Kathodengaseinlasssammelrohröffnung 72 des kathodenseitigen Separators 40 zugeführtes Kathodengas wird in die Kathodengasströmungswege 42 verteilt, wie durch die Pfeile in 2 angedeutet, gelangt durch die Gasdiffusionsschichten 20 (siehe 1) und erreicht die Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 32, wo es bei der vorstehend genannten Reaktion Verwendung findet. Anschließend wird das Kathodengas, das bei der Reaktion nicht verbraucht wurde, durch die Kathodengasauslasssammelrohröffnung 74 gesammelt und aus dem Brennstoffzellenstapel 100 (siehe 1) ausgetragen.
Die Kathodengasströmungswege 42 im Stromerzeugungsbereich G1 umfassen gerade Strömungswegabschnitte ST, welche linear und parallel zueinander in Längsrichtung des kathodenseitigen Separators 40 verlaufen. Die Abschnitte der geraden Strömungswegabschnitte ST sind, abgesehen von den später beschriebenen einengenden Abschnitten bzw. Einschnürungen 43, hinsichtlich ihrer Breite sowie des Strömungswegquerschnittsbereichs der jeweiligen Kathodengasströmungswege 42 konstant. Abschnitte zwischen benachbarten Kathodengasströmungswegen 42 sind jene, die in Z-Richtung vorstehen, die den Nichtströmungswegabschnitten 46 aus 1 entsprechen. Es sei angemerkt, dass es durch das Vorsehen der geraden Strömungswegabschnitte ST im kathodenseitigen Separator 40 möglich ist, die Austrageffizienz von flüssigem Wasser, das durch die Brennstoffzellenreaktion erzeugt wird, zu verbessern. Die geraden Strömungswegabschnitte ST sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie sich einer geraden Linie zwischen beiden Enden des Stromerzeugungsbereichs G1 in dessen Längsrichtung (oder X-Richtung) erstrecken. Diese Ausbildung erlaubt ein noch leichteres Austragen von flüssigem Wasser.
Die Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 ist derart ausgestaltet, dass diese in zumindest eine Mehrzahl von Strömungswegen über den gesamten Wegbereich zwischen den beiden Kathodengassammelrohren 72, 74 aufgeteilt ist, ohne dass die Gesamtmenge der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 zusammengeführt wird. Jedoch können, wie in dem Beispiel von 2 gezeigt, einige der Kathodengasströmungswege 42 (insbesondere einige Kathodengasströmungswege der geraden Strömungswegabschnitte ST) mit anderen Kathodengasströmungswegen 42 zusammengeführt werden, um eine Verbindung mit der Gassammelrohröffnung 72 (oder 74) herzustellen. Mit dieser Konfiguration wird, wenn die Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 derart ausgebildet wird, dass sie über den gesamten Wegbereich zwischen den beiden Gassammelrohren 72, 74 in mehrere Strömungswege aufgeteilt ist, eine Zunahme von flüssigen Wassertropfen verhindert, wodurch flüssiges Wasser effizient ausgetragen werden kann. Es ist auch möglich, dass keiner der einzelnen Kathodengasströmungswege 42 mit einem anderen zusammengeführt wird, und das jeder Kathodengasströmungsweg 42 von den anderen Kathodengasströmungswegen 42 über den gesamten Wegbereich zwischen den beiden Gassammelrohröffnungen 72, 74 getrennt ist. In diesem Fall wird das Austragen von flüssigem Wasser noch weiter vereinfacht.
Die Kathodengasströmungswege 42 sind mit einengenden Abschnitten bzw. Einschnürungen 43 ausgestaltet, die ausgebildet sind, um die Höhe der Strömungswege in Stapelrichtung Z zu verringern, und überdies deren Strömungswegquerschnittsbereich zu verringern. Vorzugsweise liegt die Breite in Y-Richtung und die Höhe in Z-Richtung der Kathodengasströmungswege 42 in einem Bereich von 0,2 bis 1 mm, und der Strömungswegquerschnittsbereich der einengenden Abschnitte 43 liegt in einem Bereich von 10% bis 80% des Strömungswegquerschnittsbereichs der anderen Abschnitte als den einengenden Abschnitten 43. Es ist ferner bevorzugt, dass der Kreisäquivalenzradius des Strömungswegquerschnittsbereichs der einengenden Abschnitte 43 in einem Bereich von 100 bis 600 µm liegt. Diese Einstellungen unterdrücken das Phänomen, dass die Oberflächenspannung von flüssigem Wasser die Strömung des flüssigen Wassers an den einengenden Abschnitten 43 verzögert, wodurch ein leichtes Austragen des flüssigen Wassers ermöglicht wird.
In 2 ist eine Mehrzahl von einengenden Abschnitten 43 in jedem der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 ausgebildet. Es ist allerdings auch möglich, dass nur ein einengender Abschnitt 43 in jedem der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 ausgebildet wird, oder das ein einengender Abschnitt 43 nur in einem Kathodengasströmungsweg 42 ausgebildet wird. Ferner ist bevorzugt, dass die einengenden Abschnitte 43 an anderen Positionen als den Auslässen der Kathodengasströmungswege 42 ausgebildet werden. Diese Anordnung ermöglicht es, das Auftreten eines Phänomens zu unterbinden, wonach die Auslässe der Kathodengasströmungswege 42 mit flüssigem Wasser zugesetzt werden, sodass die Strömung des Kathodengases in jeweilige Gasströmungswege verzögert wird.
Die 3A und 3B zeigen Schnittansichten der Kathodengasströmungswege 42. 3A zeigt eine Schnittansicht eines einengenden Abschnitts 43 entlang der Linie 3a-3a in 2, und 3B zeigt eine Schnittansicht eines anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43 entlang der Linie 3b-3b aus 2. Ein Strömungswegquerschnittsbereich S43 des einengenden Abschnitts 43 ist kleiner als ein Strömungswegquerschnittsbereich S42 eines anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43. Bei dem Beispiel aus 3A ist eine Strömungsweghöhe Hs des einengenden Abschnitts 43 in Stapelrichtung Z kleiner als eine Strömungsweghöhe Hb eines anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43 in Stapelrichtung Z. Eine Außenwandhöhe Ds des einengenden 43 in Stapelrichtung Z ist kleiner als eine Außenwandhöhe Db eines anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43 in Stapelrichtung Z. Zudem ist eine Breite Ls des einengenden Abschnitts 43 in vertikale Richtung Y kleiner als eine Breite Lb eines anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43 in vertikale Richtung Y. Das Verringern der Breite Lb des Kathodengasströmungswegs 42 verursacht jedoch, dass eine Breite L46 eines Nichtströmungswegabschnitts 46 zunimmt, wodurch es schwierig wird, dass das Kathodengas in die Gasdiffusionsschicht 20 verteilt wird, die mit dem Kathodengasnichtströmungswegabschnitt 46 verbunden sind. Um daher zu vermeiden, dass es zu einer Störung der Verteilung des Kathodengases kommt, wird die Breite Ls der einengenden Abschnitte 43 vorzugsweise nicht übermäßig verringert, und beispielsweise in einem Bereich von 30% bis 90% der Breite Lb des anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43 gewählt.
3C ist eine Schnittansicht des einengenden Abschnitts 43 entlang der Linie 3c-3c aus 2. Ein Winkel θ, der durch jede von gegenüberliegenden geneigten Flächen α des einengenden Abschnitts 43 in horizontale Richtung X gegen die Stapelrichtung Z gebildet wird, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10° bis 80°. Diese Einstellung erleichtert das Austragen von Wasser, das im Stromerzeugungsbereich G1 (siehe 2) erzeugt wird, ohne dass dieses an den geneigten Flächen α anhaftet, aus den Kathodengasströmungswegen 42 zusammen mit unreagiertem Kathodengas.
4 ist eine schematische Draufsicht auf den anodenseitigen Separator 50 gesehen von einer der MEGA 21 gegenüberliegenden Seite. Bei einer Mehrzahl von gestapelten Einzelzellen 140 (siehe 1) sind auf der Oberseite von 4 die Kühlmitteleinlasssammelrohröffnung 82, die Kühlmittelströmungswege 54 und die Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 84 miteinander verbunden, wodurch eine Kühlmittelströmungswegfläche 210 gebildet wird. Auf der Rückseite von 4 sind die Anodengaseinlasssammelrohröffnung 62, die Anodengasströmungswege 52 und die Anodengasauslasssammelrohröffnung 64 miteinander verbunden, wodurch eine Anodengasströmungswegfläche 220 gebildet wird. Die Anodengasströmungswege 52 sind auf der Rückseite der vorstehenden Abschnitte gebildet, die in Z-Richtung in 4 vorstehen. Pfeile mit durchgezogenen Linien zeigen eine Strömung des Kühlmittels, und Pfeile mit gestrichelten Linien zeigen eine Strömung des Anodengases. Wenn eine Mehrzahl von Einzelzellen 140 (siehe 1) gestapelt ist, gelangt ein Dichtungselement 81 mit der Fläche des kathodenseitigen Separators 40 einer benachbarten Einzelzelle 140 in Kontakt und dient zum Abdichten zwischen den beiden Einzelzellen 140. Das Dichtungselement 81 ist derart angeordnet, dass es die Reaktionsgassammelrohröffnungen 62, 64, 72 und 74 sowie die Kühlmittelströmungswegfläche 210 umgibt.
Bezugnehmend auf 4 ist ein Stromerzeugungsbereich G1, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt wird, ein Bereich, über den die Anodenelektrodenkatalysatorschicht 31 und die Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 32 der MEGA 21 (siehe 1) einander überlappen; der Bereich G1 ist dabei äquivalent zum Stromerzeugungsbereich G1 aus 2. Auf der Anodenseite der Stromerzeugungsbereichs G1 kommt es zu einer in der nachfolgenden Formel (2) dargestellten Reaktion: H₂ → 2H⁺ + 2e^- (2)
Von der Anodengaseinlasssammelrohröffnung 62 des anodenseitigen Separators 50 zugeführtes Anodengas wird, wie durch die Pfeile mit gestrichelter Linie in 4 angedeutet, in die Anodengasströmungswege 52 verteilt, strömt durch die Gasdiffusionsschichten 20 (siehe 1) und erreicht die Anodenelektrodenkatalysatorschicht 31, wo es bei der vorstehend genannten Reaktion verwendet wird. Anschließend wird das bei der Reaktion nicht verbrauchte Anodengas durch die Anodengasauslasssammelrohröffnung 64 gesammelt und dann aus dem Brennstoffzellenstapel 100 (siehe 1) ausgetragen. Das von der Kühlmitteleinlasssammelrohröffnung 82 des anodenseitigen Separators 50 zugführte Kühlmittel strömt durch die Kühlmittelströmungswege 54, wie durch die Pfeile mit durchgezogener Linie in 4 angedeutet, wird durch die Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 84 gesammelt und dann aus dem Brennstoffzellenstapel 100 (siehe 1) ausgetragen.
In 4 haben die Anodengasströmungswege 52 gebogene Strömungswegabschnitte WA, die mäanderartig ausgebildet sind, während die Mehrzahl von Anodengasströmungswegen 52 jeweils einen Abstand zueinander einhalten. Die gebogenen Strömungswegabschnitte WA können anstelle der mäanderartig ausgebildeten Form der Anodengasströmungswege 52 eine gebogene Form der Anodengasströmungswege 52 haben (eine Gestalt, in welcher lineare Strömungswegabschnitte und gebogene Abschnitte einander abwechseln). Die gebogenen Strömungswegabschnitte WA des anodenseitigen Separators 50 erhöhen die Strömungsweglänge der Anodengasströmungswege 52, wodurch der Nutzungsgrad des Anodengases verbessert werden kann.
Unter der Annahme einer linearen Mittelachse CX parallel zur Längsrichtung (X-Richtung) des Stromerzeugungsbereichs G1 eines jeden Anodengasströmungswegs 52 bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist bezüglich der Form der gebogenen Strömungswegabschnitte WA bevorzugt, dass die gebogenen Strömungswegabschnitte WA eine krummlinige, wellenartige Gestalt (beispielsweise in Form einer Sinusschwingung oder alternierend halbkreisförmigen Gestalt) annehmen, welche entlang der Mittelachse CX verläuft. Eine derartige krummlinige, wellenartige Strömungsweggestalt ermöglicht die Ausbildung einer Mehrzahl von Anodengasströmungswegen 52 im Stromerzeugungsbereich G1, während die Strömungsweglänge eines jeden Strömungswegs verlängert wird. Vorzugsweise sind die gebogenen Strömungswegabschnitte WA der Anodengasströmungswege 52 derart ausgestaltet, dass sie jeweils einen separaten Zustand beibehalten, ohne dass sie im gesamten Bereich zwischen beiden Enden des Stromerzeugungsbereichs G1 in Längsrichtung (oder X-Richtung) zusammengeführt werden. Es ist ferner bevorzugt, dass die linearen Mittelachsen CX der einzelnen Anodengasströmungswege 52, die jeweils eine krummlinige, wellenförmige Strömungsweggestalt haben, parallel zur Längsrichtung (X-Richtung) des Stromerzeugungsbereichs G1 bleiben, ohne im Stromerzeugungsbereich G1 gebogen zu sein. Dieser Aufbau erlaubt eine weitere Verbesserung des Nutzungsgrades des Anodengases.
5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Aspekts, der entsteht, wenn die Kathodengasströmungswege 42 und Anodengasströmungswege 52 entlang der Stapelrichtung Z projiziert betrachtet werden. Es sei angemerkt, dass die in Z-Richtung vorstehenden Vorsprünge zur vereinfachten Darstellung schraffiert dargestellt sind. Die Kathodengasströmungswege 42, die zwischen den in Z-Richtung vorstehenden Vorsprüngen ausgebildet sind, sind nicht schraffiert. Die Anodengasströmungswege 52, die auf der Rückseite der in Z-Richtung vorstehenden Abschnitte ausgebildet sind, sind schraffiert. An einer Stelle P in 5 schneiden bzw. kreuzen sich ein Kathodengasströmungsweg 42 sowie ein Anodengasströmungsweg 52 nicht, wohingegen der Kathodengasströmungswege 42 und der Anodengasströmungsweg 52 einander an einer Stelle C kreuzen. Anders als an den Kreuzungspunkten C, an welchen die Kathodengasströmungswege 42 und Anodengasströmungswege 52 einander kreuzen, sind die einengenden Abschnitte bzw. Einschnürungen 43 an den sich nicht kreuzenden Stellen P ausgebildet. Der Grund hierfür wird später beschrieben.
Die 6A bis 6C zeigen Schnittansichten des kathodenseitigen Separators 40 und des anodenseitigen Separators 50 wechselseitig benachbarter Einzelzellen in einem Zustand, in welchem eine Mehrzahl von Einzelzellen 140 (siehe 1) gestapelt ist. 6A ist eine erläuternde Darstellung entlang einer Linie 6a-6a aus 5, und 6B ist eine erläuternde Darstellung entlang einer Linie 6b-6b aus 5. In 6A kreuzen sich der Kathodengasströmungsweg 42 und der Anodengasströmungsweg 52 an einer Stelle P nicht, und ein einengender Abschnitt 43 ist im Kathodengasströmungsweg 42 ausgebildet. An einem Kreuzungspunkt C jedoch, an welchem der Kathodengasströmungsweg 42 und der Anodengasströmungsweg 52 einander kreuzen, wie in 6B gezeigt ist, ist ein Tragabschnitt Sp ausgebildet, in welchem kein einengender Abschnitt 43 im Kathodengasströmungsweg 42 ausgebildet ist, und der kathodenseitige Separator 40 und der anodenseitigen Separator 50 miteinander verbunden sind, um sich gegenseitig stützen. 6C zeigt einen imaginären Fall, in welchem der einengende Abschnitt 43 am Kreuzungspunkt C ausgebildet ist; diese Konfiguration würde einen Spalt W an einer Stelle des Tragabschnitts Sp von 6B verursachen. Diese Konfiguration würde die Anzahl der Tragabschnitte Sp (Kontaktabschnitte) zwischen den Separatoren 40, 50 verringern, was zu einer Wahrscheinlichkeit führt, dass die Druckkraft übermäßig in einer kleineren Anzahl von Tragabschnitten Sp konzentriert werden würde. Demgegenüber sind an den Stellen P, an welchen der Kathodengasströmungsweg 42 und der Anodengasströmungsweg 52 einander nicht kreuzen, wie in 6A gezeigt, die Separatoren nicht miteinander in Kontakt, unabhängig davon, ob der einengende Abschnitt 43 ausgebildet ist oder nicht, sodass das vorstehend beschriebene Problem nie auftritt. Unter Berücksichtigung dieser Punkte sind die einengenden Abschnitte 43 vorzugsweise an anderen Stellen als den Kreuzungspunkten zwischen den Kathodengasströmungswegen 42 und den Anodengasströmungswegen 52 ausgebildet.
In 6A sind die Kathodengasströmungswege 42 an Stellen angeordnet, welche die Kühlmittelströmungswege 54 in Stapelrichtung Z betrachtet überlappen, wobei die Anordnung von den Anodengasströmungswegen 52 versetzt ist. Die Außenwandhöhe Ds der einengenden Abschnitte 43 ist geringer als die Außenwandhöhe Db der anderen Abschnitte der Kathodengasströmungswege 42 als den einengenden Abschnitten 43, sodass ein Druckverlust des Kühlmittels verringert werden kann.
7 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Aspekts, bei welchem Kathodengas durch benachbarte zwei Kathodengasströmungswege 42t, 42p mit der gleichen Strömungsrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit (relative Strömungsgeschwindigkeit von 3) strömt. In 7 ist ein Teil des geraden Strömungswegabschnitts ST (siehe 2) des Kathodengasströmungswegs 42 dargestellt. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind die Nichtströmungswegabschnitte 46 zwischen zwei wechselseitig benachbarten Kathodengasströmungswegen 42 schraffiert dargestellt. Die beiden Kathodengasströmungswege 42t, 42p haben jeweils zwei einengende Abschnitte 43m, 43n, 43x und 43y. Vorzugsweise sind diese vier einengenden Abschnitte bzw. Einschnürungen 43m, 43n, 43x und 43y derart angeordnet, dass sie nicht in eine Richtung senkrecht zu einer Richtung (gerade Richtung) benachbart sind, in welche die beiden Kathodengasströmungswege 42t, 42p parallel verlaufen. Der Grund hierfür wird später beschrieben.
Bezugnehmend auf 7 verursachen die einengenden Abschnitte 43m, 43n des ersten Kathodengasströmungswegs 42t eine Verringerung des Strömungswegquerschnittsbereichs, was zu einer Zunahme des Drucks des Kathodengases auf einer stromabwärtigen Seite der jeweiligen einengenden Abschnitte 43m, 43n führt. Demgegenüber ist im zweiten Kathodengasströmungsweg 42p, da keine einengenden Abschnitten an den Stellen M und N vorgesehen sind, die benachbart zu den einengenden Abschnitten 43m, 43n sind, der Druck des Kathodengases auf der stromaufwärtigen Seite der Stellen M, N kleiner als der Druck des Kathodengases auf der stromaufwärtigen Seite der jeweiligen einengenden Abschnitte 43m, 43n, sodass es zu Druckunterschieden kommt. In ähnlicher Weise kommt es im ersten Kathodengasströmungsweg 42t zu einem Druckunterschied bzw. einer Druckdifferenz an einer stromaufwärtigen Seite der Stellen A, B, welche benachbart zu den jeweiligen Einengungen 43x, 43y des zweiten Kathodengasströmungswegs 42p sind. Das bedeutet, die Kathodengasströmungswege auf der stromaufwärtigen Seite der Einengungen 43m, 43n, 43x und 43y erfahren eine Druckdifferenz relativ zu den jeweils benachbarten Kathodengasströmungswegen. Aufgrund dessen kann sich das Kathodengas von der Seite der Kathodengasströmungswege mit höherem Druck durch die Gasdiffusionsschichten 20 (siehe 3A bis 3C), die mit den Nichtströmungswegabschnitten 46 in Verbindung stehen, hin zu einer Seite der Kathodengasströmungswege mit niedrigem Druck bewegen.
Wie in 7 gezeigt ist, wird davon ausgegangen, dass, wenn Kathodengas mit einer Gesamt-Relativströmungsgeschwindigkeit von 6 durch die Kathodengasströmungswege 42t, 42p strömt, ein Kathodengas mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von 1 sich durch die Strömungswege mit Druckunterscheiden bewegt. Obgleich das Kathodengas, während es in den Kathodengasströmungswegen strömt, im Stromerzeugungsbereich reagiert und die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, wird die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Reaktion in 7 hinsichtlich der Erläuterung nicht berücksichtigt. Wenn das Kathodengas mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von 3 durch die Einlässe der jeweiligen Kathodengasströmungswege 42t, 42p strömt, kommt es zu einer Druckdifferenz auf der stromaufwärtigen Seite des einengenden Abschnitts 43m, sodass von dem Kathodengas mit einer relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeit von 3, das in den ersten Kathodengasströmungsweg 42t strömt, Kathodengas mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von 1 sich in den zweiten Kathodengasströmungsweg 42p bewegt. Kathodengas, das durch die Stelle M des Kathodengasströmungswegs 42p strömt, hat dann eine relative Strömungsgeschwindigkeit von 4. Wenn das Kathodengas mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von 4 die stromaufwärtige Seite des einengenden Abschnitts 43x erreicht, wird Kathodengas mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von 1 von dem vorstehend genannten Kathodengas durch den Druckunterschied erneut zum ersten Kathodengasströmungsweg 42t bewegt. Auf diese Weise kommt es an jeder stromaufwärtigen Seite der einengenden Abschnitte 43m, 43x, die nicht zueinander benachbart sind, zu einer Bewegung des Kathodengases zwischen den Kathodengasströmungswegen. Zudem kommt es an jeder stromaufwärtigen Seite der nicht benachbarten einengenden Abschnitte 43n, 43y zu einer Bewegung des Kathodengases zwischen den Kathodengasströmungswegen. Bei einer derartigen Anordnung, bei welcher die einengenden Abschnitte 43m, 43n, 43x und 43y an wechselseitig nicht benachbarten Stellen in Richtung senkrecht zu der Richtung angeordnet sind, in welche die beiden Kathodengasströmungswege 42t, 42p parallel zueinander verlaufen, kommt es zu einer Bewegung des Kathodengases zwischen den beiden Kathodengasströmungswegen 42t, 42p. In diesem Fall wird das Kathodengas, jedes Mal, wenn sich das Kathodengas bewegt, in einer größeren Menge in die Gasdiffusionsschichten 20 (siehe 3A bis 3C) verteilt, die mit den Nichtströmungswegabschnitten 46 verbunden sind, wodurch es möglich ist, den Nutzungsgrad des Kathodengases zu verbessern. Da zudem das Kathodengas ausreichend unter den Nichtströmungswegabschnitten 46 verteilt wird, kann eine ungleichmäßige bzw. uneinheitliche Stromerzeugung zwischen den Kathodengasströmungswegen 42t, 42p und den Nichtströmungswegabschnitten 46 verringert werden.
Der Effekt, dass die erhöhten Mengen von Kathodengas an die Gasdiffusionsschichten 20 verteilt werden, die mit den Nichtströmungswegabschnitten 46 verbunden sind, kann auch erhalten werden, wenn ein einengender Abschnitt 43 in einem Kathodengasströmungsweg der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 vorgesehen ist. Es ist jedoch bevorzugt, dass ein oder mehrere einengende Abschnitte 43 in jedem von benachbarten Kathodengasströmungswegen 42t, 42p ausgebildet ist, wie bei dem Beispiel in 7. Es ist zudem weiter bevorzugt, dass eine gleiche Zahl von einengenden Abschnitten 43 in jedem der Kathodengasströmungswege 42t, 42p ausgebildet ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von einengenden Abschnitten 43 mit in regelmäßigen Abständen Pt in jedem Kathodengasströmungsweg 42t, 42p ausgestaltet, während einengende Abschnitte 43 in benachbarten Kathodengasströmungswegen 42t, 42p voneinander um die Hälfte des Abstandes Pt versetzt sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann der Nutzungsgrad des Kathodengases aufgrund der vorstehend genannten Gründe weiter verbessert werden.
Eine Positionsbeziehung der einengenden Abschnitte 43 in den geraden Strömungswegabschnitten ST des Kathodengasströmungswegs 42 wurde vorstehend in Verbindung mit 7 beschrieben. Es ist auch möglich, dass eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 mit einer gekrümmten Strömungsweggestalt genutzt werden, in der die Strömungswege parallel verlaufen während sie mäanderartig oder gebogen sind. Auch in diesem Fall können die einengenden Abschnitte 43, die in jedem benachbarten Kathodengasströmungsweg 42 ausgebildet sind, an wechselseitig nicht benachbarten Stellen in eine Richtung senkrecht zur parallel verlaufenden Richtung ausgebildet sein. Die parallel verlaufende Richtung ist in diesem Fall eine Richtung entlang der Tangente einer Mittellinie, die durch eine Mitte eines jeden Strömungswegs geht.
Bei der ersten Ausführungsform wird, wie vorstehend beschrieben, da die einengenden Abschnitte 43 der Kathodengasströmungswege 42 an anderen Stellen als den Kreuzungspunkten C ausgebildet sind, an welchem die Kathodengasströmungswege 42 und Anodengasströmungswege 52 einander kreuzen, verhindert, dass es aufgrund der Anordnung der einengenden Abschnitte 43 an den Kreuzungspunkten C zu einer übermäßigen Konzentration einer Druckkraft an einer kleineren Anzahl von Tragabschnitten Sp (oder Kontaktabschnitten) kommt.
Zweite Ausführungsform
8 ist eine schematische Draufsicht auf einen kathodenseitigen Separator 40a gesehen von der Seite der MEGA 21 bei einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform darin, dass die Form der einengenden Abschnitte 43a anders ist, der übrige Aufbau ist ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform.
Die 9A und 9B zeigen Schnittansichten der Kathodengasströmungswege 42 der zweiten Ausführungsform. 9A ist eine Schnittansicht entlang einer Linie 9a-9a eines einengenden Abschnitts 43a aus 8, und 9B ist eine Schnittansicht eines anderen Abschnitts eines Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43a entlang der Linie 9b-9b aus 8. Ein Strömungswegquerschnittbereich S43a des einengenden Abschnitts 43a ist kleiner als ein Strömungswegquerschnittsbereich S42 des anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43a. Eine Strömungsweghöhe Hs des einengenden Abschnitts 43a in Stapelrichtung Z ist kleiner als eine Strömungsweghöhe Hb des anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43a in Stapelrichtung Z. Eine Außenwandhöhe der Ds des einengenden Abschnitts 43a in Stapelrichtung Z ist kleiner als eine Außenwandhöhe Db des anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43a in Stapelrichtung Z. Ferner ist eine Breite Lsa des einengenden Abschnitts 43a in vertikale Richtung Y gleich einer Breite Lb des anderen Abschnitts des Kathodengasströmungswegs 42 als dem einengenden Abschnitt 43a in vertikale Richtung Y. Mit der Gestalt dieser zweiten Ausführungsform wird, da die Breite L46a eines jeden Nichtströmungswegabschnitts 46a auf beiden Seiten des einengenden Abschnitts 43a kleiner ist als die Breite L46 eines jeden Nichtströmungswegabschnitts 46 der ersten Ausführungsform aus 3A der Diffusionsabstand des Kathodengases in die Gasdiffusionsschicht 20, die mit den Nichtströmungswegabschnitten 46a verbunden sind, kürzer als bei der ersten Ausführungsform, sodass das Kathodengas leichter verteilt werden kann. Diesbezüglich ist bevorzugt, als Form für die einengenden Abschnitte 43 eine Form zu verwenden, bei welcher die Höhe (Tiefe der Strömungswege) verringert ist, während die Strömungswegbreite unverändert bleibt.
Abwandlungen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen beschränkt und kann anhand anderer Ausführungen ausgebildet werden, solange diese Ausführungen nicht von der Idee der Erfindung abweichen, wobei nachfolgend derart andere Ausführungen beispielhaft anhand von Abwandlungen dargestellt werden.
Abwandlung 1:
In den vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen sind die einengenden Abschnitte bzw. Einschnürungen 43 nur in den Kathodengasströmungswegen 42 vorgesehen. Stattdessen können die einengenden Abschnitte 43 in den Anodengasströmungswegen 52 vorgesehen sein. Alternativ können die einengenden Abschnitte 43 sowohl in den Kathodengasströmungswegen 42 als auch den Anodengasströmungswegen 52 vorgesehen sein. Auch in diesen Fällen ist es jedoch bevorzugt, dass alle einengenden Abschnitte 43 an anderen Stellen als den Kreuzungspunkten zwischen den Kathodengasströmungswegen 42 und den Anodengasströmungswegen 52 bei einer Projektion und Betrachtung in Stapelrichtung Z angeordnet sind. Ferner können, während bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die einengenden Abschnitte 43 an anderen Stellen als den Einlässen und Auslässen der geraden Strömungswegabschnitte ST angeordnet sind, die einengenden Abschnitte 43 auch an anderen Stellen angeordnet werden. Beispielsweise können die einengenden Abschnitte 43 abwechselnd an den Einlässen und Auslässen von zwei benachbarten Gasströmungswegen der geraden Gasströmungswegabschnitte ST angeordnet werden.
Abwandlung 2:
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurden am Beispiel von Fällen beschrieben, bei welchen die Mehrzahl von Anodengasströmungswegen 52 gekrümmte bzw. gebogenen Strömungswegabschnitte WA haben, die mäanderartig oder gebogen verlaufen, während sie einen Abstand zueinander einhalten, und die Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen 42 gerade Strömungswegabschnitte ST haben, die parallel und linear entlang der Längsrichtung der Separatoren verlaufen. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch bei Fällen anwendbar, bei welchen eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und eine Mehrzahl von Anodengasströmungswegen wechselseitig unterschiedliche zweidimensionale Formen haben. Ein Beispiel kann sein, dass eine Mehrzahl von Anodengasströmungswegen gerade Strömungswegabschnitte hat, während eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen gebogene Strömungswegabschnitte hat. Ein anderes Beispiel kann sein, dass beide von der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen gerade Strömungswegabschnitte hat, wobei Erstreckungsrichtungen dieser jeweils geraden Strömungswegabschnitte einander kreuzen. Ein weiteres Beispiel kann sein, dass eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen sowie eine Mehrzahl von Anodengasströmungswegen gebogene Strömungswegabschnitte hat, und diese darüber hinaus derart zweidimensional ausgebildet sind, dass es zu Kreuzungspunkten kommt, an welchen die Kathodengasströmungswege und Anodengasströmungswege einander bei einer Projektion in die Einzelzellenstapelrichtung kreuzen.

Claims

Brennstoffzelleneinzelzelle (140) zum Ausbilden eines Brennstoffzellenstapels (100), in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinzelzellen (140) gestapelt ist, während ein kathodenseitiger Separator (40) und ein anodenseitiger Separator (50) benachbarter Brennstoffzelleneinzelzellen einander berühren, wobei die Brennstoffzelleneinzelzelle aufweist: eine Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe (21); einen kathodenseitigen Separator (40), der aus einer pressgeformten Platte besteht, wobei der kathodenseitige Separator eine Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen (42, 42p, 42t) und zwischen diesen liegende Nichtströmungswegbereiche (46, 46a) auf einer kathodenseitigen Fläche der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe bildet; und einen anodenseitigen Separator (50), der aus einer pressgeformten Platte besteht, wobei der anodenseitige Separator eine Mehrzahl von Anodengasströmungswegen (52) und zwischen diesen liegende Nichtströmungswegbereiche (56) auf einer anodenseitigen Fläche der Membranelektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Baugruppe bildet, wobei zumindest ein Gasströmungsweg der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen einen einengenden Abschnitt (43, 43a, 43m, 43n, 43x, 43y) hat, der ausgestaltet ist, um eine Strömungsweghöhe in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinzelzellen zu verringern und einen Strömungswegquerschnittsbereich des Gasströmungswegs zu verringern, dadurch gekennzeichnet, dass, in Stapelrichtung projiziert und entlang derselben betrachtet, die Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und die Mehrzahl von Anodengasströmungswegen derart ausgestaltet sind, dass sie wechselseitig unterschiedliche zweidimensionale Formen haben, es Kreuzungspunkte (c) gibt, an denen die Kathodengasströmungswege und die Anodengasströmungswege einander kreuzen, und der einengende Abschnitt an einer anderen Stelle angeordnet ist, als die Kreuzungspunkte.
Brennstoffzelleneinzelzelle nach Anspruch 1, wobei einer der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen derart ausgestaltet ist, dass er gerade Strömungswegabschnitte (ST) hat, über welche eine Mehrzahl von Gasströmungswegen linear und zueinander parallel verlaufen, und der andere der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen derart ausgestaltet ist, dass er gebogene Strömungswegabschnitte (WA) hat, in denen eine Mehrzahl von Gasströmungswegen mäanderartig oder gebogen ist, während sie einen Abstand voneinander einhalten.
Brennstoffzelleneinzelzelle nach Anspruch 2, wobei die geraden Strömungswegabschnitte im kathodenseitigen Separator ausgebildet sind, und die gebogenen Strömungswegabschnitte im anodenseitigen Separator ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der einengende Abschnitt in jedem von zwei nebeneinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden Gasströmungswegen in zumindest einem von der Mehrzahl von Kathodengasströmungswegen und der Mehrzahl von Anodengasströmungswegen ausgebildet ist, und die in den beiden Gasströmungswegen ausgebildeten einengenden Abschnitte an nicht nebeneinanderliegenden Stellen in eine Richtung senkrecht zu einer parallel verlaufenden Richtung angeordnet sind.
Brennstoffzelleneinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der einengende Abschnitt an einer anderen Stelle ausgebildet ist, als am Auslass des zumindest einen Gasströmungswegs.