DE102019113903A1

DE102019113903A1 - Brennstoffzellenseparator

Info

Publication number: DE102019113903A1
Application number: DE102019113903.1A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kawabe
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2019-11-28
Also published as: US10923741B2; US20190363371A1; JP7081307B2; CN110544780B; CN110544780A; JP2019207748A

Abstract

Ein Brennstoffzellenseparator umfasst einen Separatorkörper, der eingerichtet ist, um zwischen Membran-Elektrodeneinheiten angeordnet zu sein, und umfasst Vertiefungen und Vorsprünge, die in dem Separatorkörper ausgebildet sind. Die Vorsprünge umfassen erste Vorsprünge, die eingerichtet sind, um einer Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit zugewandt zu sein. Ein dünner Film ist an einer Fläche von jedem von den ersten Vorsprüngen angeordnet. Die Vertiefungen umfassen erste Vertiefungen, die sich in einer Vorsprungrichtung der ersten Vorsprünge öffnen. Jede von den ersten Vertiefungen ist eingerichtet, um einen Durchgang auszubilden, durch den der Elektrodenschicht Oxidationsgas oder Brenngas zugeführt wird. Ein Abschnitt von jedem von den dünnen Filmen, der mit der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit in Kontakt ist, umfasst eine Nut, wobei die Nut mit mindestens einem von den Durchgängen verbunden ist, die an entgegengesetzten Seiten von einem von den ersten Vorsprüngen gelegen ist, der den dünnen Film umfasst.

Description

Hintergrund
Gebiet
Die folgende Beschreibung betrifft einen Brennstoffzellenseparator.
Beschreibung des Stands der Technik
Das japanische Patent Nr. 6199266 offenbart eine Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) und zwei Separatoren umfasst, die die MEA in der Dickenrichtung dazwischen halten. Die Membran-Elektrodeneinheit umfasst einen Elektrolytfilm, eine Anoden-Elektrodenschicht und eine Kathoden-Elektrodenschicht. Die Kathoden-Elektrodenschicht ist mit einer von den entgegengesetzten Flächen des Elektrolytfilms in der Dickenrichtung zusammengefügt. Die Anoden-Elektrodenschicht ist mit der anderen von den entgegengesetzten Flächen des Elektrolytfilms in der Dickenrichtung zusammengefügt. In einer Brennstoffzelle trennen Separatoren Membran-Elektrodeneinheiten und ordnen dazwischen die Membran-Elektrodeneinheiten in der Dickenrichtung wie oben beschrieben an.
Wie in 5 schematisch gezeigt ist, umfassen typische Separatoren 51 jeweils einen Separatorkörper 53, Vertiefungen 54 und Vorsprünge 55. Der Separatorkörper 53 ist zwischen Membran-Elektrodeneinheiten 52 (Elektrolytfilm 61, Anoden-Elektrodenschicht 57 und Kathoden-Elektrodenschicht 58) angeordnet und ist leitfähig. Die Vertiefungen 54 und die Vorsprünge 55 sind in dem Separatorkörper 53 derart ausgebildet, dass die Vertiefungen 54 und Vorsprünge 55 parallel zueinander abwechselnd angeordnet sind. Die Fläche von jedem Vorsprung 55 umfasst einen dünnen Film 56 mit einer höheren Leitfähigkeit als der Separatorkörper 53. Die Vorsprünge 55 sind jeweils mit der Anoden-Elektrodenschicht 57 oder der Kathoden-Elektrodenschicht 58 der Membran-Elektrodeneinheit 52 mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen 56 in Kontakt.
Der Separatorkörper 53 umfasst einen Durchgang 59, der in der Innenseite von jeder Vertiefung 54 ausgebildet ist, die zwischen den der Anoden-Elektrodenschicht 57 der Membran-Elektrodeneinheit 52 zugewandten Vorsprüngen 55 gelegen ist. Der Durchgang 59 ist eingerichtet, um der Anoden-Elektrodenschicht 57 Brenngas wie Wasserstoff zuzuführen. Der Separatorkörper 53 umfasst auch einen Durchgang 60, der in der Innenseite von jeder Vertiefung 54 ausgebildet ist, die zwischen den der Kathoden-Elektrodenschicht 58 der Membran-Elektrodeneinheit 52 zugewandten Vorsprüngen 55 gelegen ist. Der Durchgang 60 ist eingerichtet, um der Kathoden-Elektrodenschicht 58 Oxidationsgas wie Luft zuzuführen.
In der Brennstoffzelle, wenn der Anoden-Elektrodenschicht 57 Brenngas zugeführt wird und der Kathoden-Elektrodenschicht 58 Oxidationsgas zugeführt wird, reagiert das Brenngas mit dem Oxidationsgas in der Membran-Elektrodeneinheit 52, wodurch Leistung erzeugt wird. Die Reaktion erzeugt auch Wasser in der Kathoden-Elektrodenschicht 58. Das auf solche Weise erzeugte Wasser wird aus der Brennstoffzelle unter Verwendung der Strömung von Oxidationsgas in dem Durchgang 60 abgegeben.
Die Reaktion von Brenngas mit Oxidationsgas in der Membran-Elektrodeneinheit 52 wird durch einen elektrischen Widerstand zwischen der Membran-Elektrodeneinheit 52 und dem Separatorkörper 53 beeinflusst. Um einen Anstieg des elektrischen Widerstands zu verringern, ist der dünne Film 56 an der Fläche von jedem Vorsprung 55 in dem Separatorkörper 53 ausgebildet.
In dem Separator 51 sind die an einer Seite (untere Seite in 5) des Separatorkörpers 53 in der Dickenrichtung gelegenen Vorsprünge 55 in Kontakt mit der Kathoden-Elektrodenschicht 58 der Membran-Elektrodeneinheit 52 mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen 56. Somit wird, wenn die Erzeugung von Leistung Wasser in der Kathoden-Elektrodenschicht 58 erzeugt, das Wasser leicht zwischen der Kathoden-Elektrodenschicht 58 und den dünnen Filmen 56 gehalten. Somit kann das in der Kathoden-Elektrodenschicht 58 erzeugte Wasser nicht vollständig aus der Brennstoffzelle durch das Strömen von Oxidationsgas abgegeben werden. Dies kann ein Sammeln von Wasser in der Nähe der Kathoden-Elektrodenschicht 58 verursachen. Das Sammeln von Wasser in der Nähe der Kathoden-Elektrodenschicht 58 begrenzt einen Kontakt von Oxidationsgas mit der Kathoden-Elektrodenschicht 58. Als Folge wird Oxidationsgas nicht vollständig in der Membran-Elektrodeneinheit 52 verbreitet, wodurch die Reaktion von Brenngas mit Oxidationsgas verschlechtert wird.
In dem Separator 51 sind die Vorsprünge 55, die an der anderen Seite (obere Seite in 5) des Separatorkörpers 53 in der Dickenrichtung gelegen sind, mit der Anoden-Elektrodenschicht 57 der Membran-Elektrodeneinheit 52 mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen 6 in Kontakt. Wenn eine bestimmte Menge an Feuchtigkeit in den dünnen Filmen 56 des Separators 51 enthalten ist, wird ein Anstieg des elektrischen Widerstands der dünnen Filme 56 leicht verringert. Somit kann, wenn die Membran-Elektrodeneinheit 52 dünner gemacht wird, in der Kathoden-Elektrodenschicht 58 erzeugtes Wasser durch den Elektrolytfilm 61 hindurch wandern und sich in Richtung der Anoden-Elektrodenschicht 58 bewegen. In diesem Fall, wenn Wasser in den dünnen Filmen 56 enthalten ist, die mit der Anoden-Elektrodenschicht 57 der Membran-Elektrodeneinheit 52 in dem Separator 51 in Kontakt sind, kann ein Anstieg des elektrischen Widerstands in den dünnen Filmen 56 leicht verringert werden. Falls jedoch das Wasser zwischen den dünnen Filmen 56 und der Anoden-Elektrodenschicht 57 mehr als notwendig gehalten wird, sodass sich das Wasser übermäßig in der Nähe der Anoden-Elektrodenschicht 57 sammelt, wird der Kontakt von Brenngas an der Anoden-Elektrodenschicht 57 verringert. Dies kann die Reaktion von Brenngas mit Oxidationsgas in der Membran-Elektrodeneinheit 52 verschlechtern.
Zusammenfassung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, einen Brennstoffzellenseparator bereitzustellen, der das Sammeln von Wasser zwischen einer Elektrodenschicht einer Membran-Elektrodeneinheit und einem an der Fläche eines Vorsprungs eines Separatorkörpers ausgebildeten dünnen Film zu verringern.
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form vorzustellen, die nachfolgend in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung soll weder Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, noch soll sie als eine Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Ein Brennstoffzellenseparator umfasst einen plattenförmigen leitfähigen Separatorkörper, der eingerichtet ist, um zwischen Membran-Elektrodeneinheiten in einer Brennstoffzelle angeordnet zu sein, und umfasst Vertiefungen und Vorsprünge, die in dem Separatorkörper derart ausgebildet sind, dass die Vertiefungen und die Vorsprünge parallel zueinander abwechselnd angeordnet sind. Die Vorsprünge umfassen erste Vorsprünge, die eingerichtet sind, um einer Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit zugewandt zu sein. Ein dünner Film ist an einer Fläche von jedem von den ersten Vorsprüngen angeordnet, wobei der dünne Film eine höhere Leitfähigkeit als der Separatorkörper hat. Die ersten Vorsprünge sind eingerichtet, um mit der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen in Kontakt zu sein. Die Vertiefungen umfassen erste Vertiefungen, die sich in einer Vorsprungrichtung der ersten Vorsprünge öffnen, und jede von den ersten Vertiefungen ist eingerichtet, um einen Durchgang auszubilden, durch den der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit Oxidationsgas oder Brenngas zugeführt wird, wobei der Durchgang an einer Innenseite von jeder der ersten Vertiefungen gelegen ist. Ein Abschnitt von jedem von den dünnen Filmen, der mit der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit in Kontakt ist, umfasst eine Nut, wobei sich die Nut in einer Richtung erstreckt, die die Vertiefungen und die Vorsprünge schneidet, und mit mindestens einem von den Durchgängen verbunden ist, die an entgegengesetzten Seiten von einem von den ersten Vorsprüngen gelegen ist, der den dünnen Film umfasst.
Andere Merkmale und Aspekte werden von der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Brennstoffzellenseparator zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Separator von einem Abschnitt in Kontakt mit einer Kathoden-Elektrodenschicht aus zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die den Separator von einem Abschnitt in Kontakt mit einer Anoden-Elektrodenschicht aus zeigt.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes Beispiel der Nuten zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht, die einen typischen Brennstoffzellenseparator zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Diese Beschreibung stellt ein umfassendes Verständnis der beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und/oder Systeme bereit. Abwandlungen und Äquivalente der beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und/oder Systeme sind für Fachleute ersichtlich. Arbeitsabläufe sind beispielhaft und können wie für Fachleute ersichtlich geändert werden, mit der Ausnahme von Arbeiten, die notwendigerweise in einer bestimmten Reihenfolge stattfinden. Beschreibungen von Funktionen und Konstruktionen, die für Fachleute bekannt sind, können weggelassen werden.
Beispielhafte Ausführungsformen können verschiedene Formen haben und sind nicht auf die beschriebenen Beispiele begrenzt. Die beschriebenen Beispiele sind jedoch eingehend und vollständig und vermitteln Fachleuten den vollen Umfang der Offenbarung.
Ein Brennstoffzellenseparator gemäß einer Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben.
In einer in 1 gezeigten Brennstoffzelle sind Membran-Elektrodeneinheiten 1 jeweils zwischen zwei Separatoren 2 in einer Dickenrichtung (Vertikalrichtung in 1) gehalten. Anders gesagt sind die Membran-Elektrodeneinheiten 1 in der Brennstoffzelle durch die Separatoren 2 voneinander getrennt. Die Membran-Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle umfassen jeweils einen Elektrolytfilm 3, eine Anoden-Elektrodenschicht 4 und eine Kathoden-Elektrodenschicht 5. Die Kathoden-Elektrodenschicht 5 ist mit der oberen von den entgegengesetzten Flächen des Elektrolytfilms 3 in der Dickenrichtung zusammengefügt. Die Anoden-Elektrodenschicht 4 ist mit der unteren von den entgegengesetzten Flächen des Elektrolytfilms 3 in der Dickenrichtung zusammengefügt. Eine Membran-Elektrodeneinheit 1 und zwei Separatoren 2, die die Membran-Elektrodeneinheit 1 in der Dickenrichtung halten, bilden eine Zelle. Die Brennstoffzelle umfasst einen Zellenstapel, der durch Schichten von Zellen in der Dickenrichtung gebildet ist.
Der Separator 2 umfasst einen plattenförmigen Separatorkörper 6, Vertiefungen 7 und Vorsprünge 8. Der Separatorkörper 6 ist zwischen den Membran-Elektrodeneinheiten 1 gelegen. Die Vertiefungen 7 und die Vorsprünge 8 sind in dem Separatorkörper 6 derart ausgebildet, dass die Vertiefungen 7 und die Vorsprünge 8 parallel zueinander abwechselnd angeordnet sind. Der Separatorkörper 6 ist aus einem leitfähigen Material wie Titan und rostfreiem Stahl gefertigt. Die Vertiefungen 7 und die Vorsprünge 8 sind sowohl an einer Seite (untere Seite in 1) als auch der anderen Seite (obere Seite in 1) des Separatorkörpers 6 in der Dickenrichtung ausgebildet.
Wie in 1 gezeigt ist, sind in dem Separatorkörper 6, der an der oberen Seite der Membran-Elektrodeneinheit 1 gelegen ist, die Vorsprünge 8, die an der einen Seite (unter Seite in 1) des Separatorkörpers 6 in der Dickenrichtung gelegen sind, mit der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 mit dazwischen gelegenen dünnen Filmen 9 in Kontakt. Die dünnen Filme 9 sind an den Flächen der Vorsprünge 8 angeordnet. Der dünne Film 9 ist aus einem Material mit einer höheren Leitfähigkeit als das des Separatorkörpers 6 wie Carbon, Gold und Platin gefertigt. Der dünne Film 9 ist durch Tintenstrahldruck mit einer Dicke von beispielsweise 10 nm bis 900 µm ausgebildet. Der dünne Film 9 hat eine höhere Hydrophilie als der Separatorkörper 6. Durchgänge 10 sind in den Innenseiten der Vertiefungen 7 des Separatorkörpers 6 ausgebildet, die sich in der Vorsprungrichtung (untere Seite in 1) der Vorsprünge 8 mit den dünnen Filmen 9 an den Flächen der Vorsprünge 8 öffnen. Oxidationsgas (beispielsweise Luft) wird durch die Durchgänge 10 der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 zugeführt. D.h., wenn diejenigen der Vorsprünge 8 des Separatorkörpers 6, die der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 zugewandt sind, als erste Vorsprünge bezeichnet werden, ist der dünne Film 9 an der Fläche von jedem von den ersten Vorsprüngen angeordnet. Die ersten Vorsprünge sind mit der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen 9 in Kontakt. Des Weiteren, wenn diejenigen der Vertiefungen 7 des ersten Separatorkörpers 6, die sich in der Vorsprungrichtung der ersten Vorsprünge öffnen, als erste Vertiefungen bezeichnet werden, sind die Durchgänge 10, durch die der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 Oxidationsgas (beispielsweise Luft) zugeführt wird, in den Innenseiten der ersten Vertiefungen ausgebildet.
In 1 wird die Zelle, die durch die durch die Volllinie gezeigte Membran-Elektrodeneinheit 1 und die durch die Volllinien gezeigten zwei Separatoren 2, die die Membran-Elektrodeneinheit 1 in der Dickenrichtung dazwischen anordnen, gebildet wird, als eine erste Zelle bezeichnet. Wie in 1 gezeigt ist, ist an der oberen Seite des oberen Separatorkörpers 6 der Membran-Elektrodeneinheit 1 in der ersten Zelle der Separatorkörper 6 einer zweiten Zelle gelegen, die an der oberen Seite der ersten Zelle gelegen ist. Die einander zugewandten Vorsprünge 8 in den Separatorkörpern 6 sind durch dazwischenliegende Schichten 15 miteinander in Kontakt. D.h., wenn diejenigen der Vorsprünge 8 des Separatorkörpers 6, die einem anderen Separatorkörper 6 zugewandt sind, als zweite Vorsprünge bezeichnet werden, sind die einander zugewandten zweiten Vorsprünge in den Separatorkörpern 6 durch die dazwischenliegenden Schichten 15 miteinander in Kontakt. Die Vorsprünge 8 (zweite Vorsprünge), die in dieser Weise einander zugewandt sind, sind parallel zueinander in der Seitwärtsrichtung in 1 angeordnet. Durchgänge 16 sind durch die Öffnungen der Vertiefungen 7 an den entgegengesetzten Seiten der zugewandten Vorsprünge 8 in der Seitwärtsrichtung ausgebildet. Eine Kühlflüssigkeit (beispielsweise ein Kühlmittel) strömt durch die Durchgänge 16. D.h., wenn diejenigen der Vertiefungen 7 des Separatorkörpers 6, die sich in der Vorsprungrichtung der zweiten Vorsprünge öffnen, als zweite Vertiefungen bezeichnet werden, sind die Durchgänge 16, durch die eine Kühlflüssigkeit (beispielsweise ein Kühlmittel) strömt, durch die Öffnungen der zweiten Vertiefungen der Separatorkörper 6 ausgebildet.
Wie in 1 gezeigt ist, sind in dem Separatorkörper 6, der an der unteren Seite der Membran-Elektrodeneinheit 1 gelegen ist, die Vorsprünge 8, die an der oberen Seite des Separatorkörpers 6 in der Dickenrichtung gelegen sind, mit der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 mit dazwischen gelegenen dünnen Filmen 11 in Kontakt. Die dünnen Filme 11 sind an den Flächen der Vorsprünge 8 angeordnet. Der dünne Film 11 ist aus einem Material mit einer höheren Leitfähigkeit als das des Separatorkörpers 6 wie Carbon, Gold und Platin gefertigt. Der dünne Film 11 ist durch Tintenstrahldruck mit einer Dicke von beispielsweise 10 nm bis 900 µm ausgebildet. Der dünne Film 11 hat eine höhere Hydrophilie als der Separatorkörper 6. Durchgänge 12 sind in den Innenseiten der Vertiefungen 7 des Separatorkörpers 6 ausgebildet, die sich in der Vorsprungrichtung (obere Seite in 1) der Vorsprünge 8 öffnen, die die dünnen Filme 11 an den Flächen der Vorsprünge 8 haben. Brenngas (beispielsweise Wasserstoff) wird der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 durch die Durchgänge 12 zugeführt. D.h., wenn diejenigen der Vorsprünge 8 des Separatorkörpers 6, die der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 zugewandt sind, als erste Vorsprünge bezeichnet werden, ist der dünne Film 11 an der Fläche von jedem von den ersten Vorsprüngen angeordnet. Die ersten Vorsprünge sind mit der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen 11 in Kontakt. Des Weiteren, wenn diejenigen der Vertiefungen 7 des Separatorkörpers 6, die sich in der Vorsprungrichtung der ersten Vorsprünge öffnen, als erste Vertiefungen bezeichnet werden, sind die Durchgänge 12, durch die der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 Brenngas (beispielsweise Wasserstoff) zugeführt wird, in den Innenseiten der ersten Vertiefungen ausgebildet.
Wie oben beschrieben ist, wird in 1 die Zelle, die durch die durch die Volllinie gezeigte Membran-Elektrodeneinheit 1 und die durch die Volllinien gezeigten zwei Separatoren 2, die die Membran-Elektrodeneinheit 1 in der Dickenrichtung dazwischen anordnen, gebildet ist, als die erste Zelle bezeichnet. Wie in 1 gezeigt ist, ist an der unteren Seite des unteren Separatorkörpers 6 der Membran-Elektrodeneinheit 1 in der ersten Zelle der Separatorkörper 6 einer dritten Zelle gelegen, die an der unteren Seite der ersten Zelle gelegen ist. Die einander zugewandten Vorsprünge 8 (zweite Vorsprünge) in dem Separatorkörper 6 sind durch die dazwischenliegenden Schichten 15 miteinander in Kontakt. Die Vorsprünge 8 (zweite Vorsprünge), die in dieser Weise einander zugewandt sind, sind parallel zueinander in der Seitwärtsrichtung in 1 angeordnet. Durchgänge 16 sind durch die Öffnungen der Vertiefungen 7 (zweite Vertiefungen) an den entgegengesetzten Seiten der zugewandten Vorsprünge 8 (zweite Vorsprünge) in der Seitwärtsrichtung ausgebildet. Kühlmittel (Kühlflüssigkeit) strömt durch die Durchgänge 16.
In der Brennstoffzelle wird der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 durch die Durchgänge 12 Wasserstoff (Brenngas) zugeführt und der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 durch die Durchgänge 10 Luft (Oxidationsgas) zugeführt. Der Wasserstoff reagiert mit der Luft in der Membran-Elektrodeneinheit 1, wodurch Leistung erzeugt wird. Die Reaktion erzeugt in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 auch Wasser.
Genauer gesagt, wenn der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 Wasserstoff zugeführt wird, wird ein Elektron aus einem Wasserstoffatom herausgenommen und an die Anoden-Elektrodenschicht 4 übergeben. Dann fließt das Elektron durch den Leiter eines äußeren Stromkreises (nicht gezeigt) von der Anoden-Elektrodenschicht 4 zu der Kathoden-Elektrodenschicht 5. Wenn das Elektron in der Anoden-Elektrodenschicht 4 aufgenommen wird, wird ein Wasserstoffion (Proton) positiv geladen. Dieses Ion geht durch den Elektrolytfilm 3 der Membran-Elektrodeneinheit 1 hindurch, um sich zu der Kathoden-Elektrodenschicht 5 zu bewegen. In der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 wird, wo Luft zugeführt wird, das wie oben beschrieben fließende Elektron durch ein Sauerstoffmolekül aufgenommen, um ein Sauerstoffion zu werden. Des Weiteren wird das Wasserstoffion, das von der Anoden-Elektrodenschicht 4 durch den Elektrolytfilm 3 hindurchgegangen ist, um sich zu der Kathoden-Elektrodenschicht 5 zu bewegen, an das Sauerstoffion gebunden, wodurch in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 Wasser erzeugt wird. Das auf diese Weise erzeugte Wasser wird aus der Brennstoffzelle durch den Luftstrom in dem Durchgang 10 abgegeben.
Der dünne Film (dünner Film 9 oder dünner Film 11) ist an der Fläche von jedem von den Vorsprüngen 8 (erste Vorsprünge) des Separatorkörpers 6 angeordnet, der eingerichtet ist, um der Elektrodenschicht (Anoden-Elektrodenschicht 4 oder Kathoden-Elektrodenschicht 5) zugewandt zu sein. Das liegt daran, dass der dünne Film (dünner Film 9 oder dünner Film 11) einen Anstieg eines elektrischen Widerstands zwischen der Membran-Elektrodeneinheit 1 und dem Separatorkörper 6 verringert, sodass der Anstieg des elektrischen Widerstands die Reaktion von Wasserstoff mit Luft in der Membran-Elektrodeneinheit 1 nicht verhindert.
Die dünnen Filme 9 und 11 werden nun ausführlich beschrieben.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Abschnitt (untere Fläche in 2) des dünnen Films 9, der in Kontakt mit der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 ist, Nuten 13. Die Nuten 13 erstrecken sich in einer Richtung, die die Vertiefungen 7 und die Vorsprünge 8 schneidet, um mit dem Durchgang 10 verbunden zu sein. Die Nuten 13 sind voneinander in der Richtung, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, mit Abstand getrennt voneinander angeordnet. Ein Ende von jeder Nut 13 in der Längsrichtung ist mit dem Durchgang 10 verbunden. Genauer gesagt sind die Nuten 13, die in der Richtung, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, benachbart zueinander sind, mit verschiedenen der Durchgänge 10 verbunden, die an den entgegengesetzten Seiten des entsprechenden Vorsprungs 8 (erster Vorsprung) gelegen sind. D.h., eine der benachbarten Nuten 13 in der Richtung, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, ist mit einem der entgegengesetzten Durchgänge 10 verbunden, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen, und die andere der benachbarten Nuten 13 ist mit dem anderen der entgegengesetzten Durchgänge 10 verbunden, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der Abschnitt (obere Fläche in 3) des dünnen Films 11, der mit der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 in Kontakt ist, Nuten 14. Die Nuten 14 erstrecken sich in der Richtung, die die Vertiefungen 7 und die Vorsprünge 8 schneidet, um mit dem Durchgang 12 verbunden zu sein. Die Nuten 14 sind in der Richtung, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, mit Abstand getrennt voneinander angeordnet. Ein Ende von jeder Nut 14 in der Längsrichtung ist mit dem Durchgang 12 verbunden. Genauer gesagt sind die Nuten 14, die in der Richtung, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, zueinander benachbart sind, mit verschiedenen der Durchgänge 12 verbunden, die an den entgegengesetzten Seiten des entsprechenden Vorsprungs 8 (erster Vorsprung) gelegen sind. D.h., eine der benachbarten Nuten 14 in der Richtung, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, ist mit einem der entgegengesetzten Durchgänge 12 verbunden, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen, und die andere der benachbarten Nuten 14 ist mit dem anderen der entgegengesetzten Durchgänge 12 verbunden, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen.
Der Betrieb des Separators 2 in der vorliegenden Ausführungsform wird nun besch rieben.
Wenn die Erzeugung von Leistung in der Brennstoffzelle Wasser in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 erzeugt, wird das Wasser zwischen der Kathoden-Elektrodenschicht 5 und den dünnen Filmen 9 gehalten. Als Folge wird das in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 erzeugte Wasser nicht vollständig aus der Brennstoffzelle durch den Luftstrom in dem Durchgang 10 abgegeben. Somit kann sich das Wasser in der Nähe der Kathoden-Elektrodenschicht 5 sammeln. Das Sammeln von Wasser in der Nähe der Kathoden-Elektrodenschicht 5 begrenzt einen Kontakt von Luft mit der Kathoden-Elektrodenschicht 5. Als Folge wird Oxidationsgas nicht vollständig in der Membran-Elektrodeneinheit 1 verbreitet, wodurch die Reaktion von Brenngas mit Oxidationsgas verschlechtert wird.
In dem Separator 2 der vorliegenden Ausführungsform begrenzen jedoch die Nuten 13 in dem dünnen Film 9 Situationen, in denen das Wasser, das in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 aufgrund einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle erzeugt wird, zwischen der Kathoden-Elektrodenschicht 5 und dem dünnen Film 9 gehalten wird. D.h., das Wasser zwischen der Kathoden-Elektrodenschicht 5 und dem dünnen Film 9 wird aus dem Durchgang 10, durch den Luft strömt, über die Nuten 13 in dem dünnen Film 9 abgegeben. Des Weiteren bewirkt der Luftstrom in dem Durchgang 10, dass das Wasser aus der Brennstoffzelle abgegeben wird.
Wenn eine bestimmte Menge an Feuchtigkeit in den dünnen Filmen 9 und 11 enthalten ist, verringern die dünnen Filme 9 und 11 leicht einen Anstieg des elektrischen Widerstands. Somit kann, wenn die Membran-Elektrodeneinheit 1 dünner gemacht wird, das in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 erzeugte Wasser durch den Elektrolytfilm 3 hindurch wandern und sich in Richtung der Anoden-Elektrodenschicht 4 bewegen. In diesem Fall wird, wenn Wasser in den dünnen Filmen 11 enthalten ist, die mit der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 in dem Separator 2 in Kontakt sind, ein Anstieg eines elektrischen Widerstands in den dünnen Filmen 11 leicht verringert. Falls das Wasser mehr als notwendig zwischen den dünnen Filmen 11 und der Anoden-Elektrodenschicht 4 gehalten wird, sodass das Wasser sich in der Nähe der Anoden-Elektrodenschicht 4 übermäßig sammelt, ist ein Kontakt von Brenngas (Wasserstoff) an der Anoden-Elektrodenschicht 4 begrenzt. Dies kann die Reaktion von Brenngas mit Oxidationsgas in der Membran-Elektrodeneinheit 1 verschlechtern.
In dem Separator 2 der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch die Nuten 14 in den dünnen Filmen 11 ausgebildet, die mit der Anoden-Elektrodenschicht 4 in Kontakt sind. Somit begrenzen die Nuten 14 der dünnen Filme 11, dass Wasser mehr als notwendig zwischen der Anoden-Elektrodenschicht 4 und den dünnen Filmen 11 gehalten wird. D.h., dass übermäßige Wasser zwischen der Anoden-Elektrodenschicht 4 und dem dünnen Film 11 wird aus dem Durchgang 12, durch den Brenngas (Wasserstoff) strömt, über die Nuten 4 in dem dünnen Film 11 abgegeben. Des Weiteren gibt der Brenngasstrom in dem Durchgang 12 das Wasser aus der Brennstoffzelle ab.
Die vorliegende Ausführungsform hat die folgenden Vorteile.

(1) In der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 erzeugt die Erzeugung von Leistung Wasser. Ein Sammeln dieses Wassers zwischen der Kathoden-Elektrodenschicht 5 und den dünnen Filmen 9, die an den Flächen der Vorsprünge 8 (erste Vorsprünge) des Separatorkörpers 6 angeordnet sind, ist begrenzt.
(2) Ein Ende von jeder Nut 13 in der Längsrichtung ist mit dem Durchgang 10 verbunden. Dies bewirkt ein leichtes Abgeben des Wassers zwischen dem dünnen Film 9 und der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 aus dem Durchgang 10 über die Nuten 13. Eines von den entgegengesetzten Enden von jeder Nut 13 in der Längsrichtung ist mit dem Durchgang 10 verbunden und das andere der entgegengesetzten Enden ist nicht mit dem Durchgang 10 verbunden. Als Folge erhöht sich der Druck in der Nut 13 leicht, wodurch die Abgabe von Wasser zwischen dem dünnen Film 9 und der Kathoden-Elektrodenschicht 5 beschleunigt wird.
(3) Wenn die Hydrophilie des dünnen Films 9 niedrig ist, wird Wasser in der Nut 13 an den Innenflächen der Nut 13 leicht abgewiesen. Dies begrenzt eine Bewegung des Wassers in der Nut 13 und begrenzt somit eine Bewegung des Wassers in der Richtung, in der das Wasser zu dem Durchgang 10 abgegeben wird. Der dünne Film 9 hat jedoch eine höhere Hydrophilie als der Separatorkörper 6. Somit wird Wasser in den Nuten 13 in dem dünnen Film 9 leicht an den Innenflächen der Nuten 13 verbreitet. Dies erleichtert eine Bewegung des Wassers in der Richtung, in der das Wasser von den Nuten 13 zu dem Durchgang 10 abgegeben wird.
(4) Selbst wenn in der Kathoden-Elektrodenschicht 5 der Membran-Elektrodeneinheit 1 erzeugtes Wasser sich in Richtung der Anoden-Elektrodenschicht 4 bewegt, begrenzen die Nuten 14 der dünnen Filme 11, dass Wasser mehr als notwendig zwischen der Anoden-Elektrodenschicht 4 und den dünnen Filmen 11 gehalten wird, die an den Flächen der Vorsprünge 8 (erste Vorsprünge) des Separatorkörpers 6 angeordnet sind. Dies begrenzt ein Sammeln des übermäßigen Wassers zwischen der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 und den dünnen Filmen 11, die an den Flächen der Vorsprünge 8 (erste Vorsprünge) des Separatorkörpers 6 angeordnet sind.
(5) Ein Ende von jeder Nut 14 in der Längsrichtung ist mit dem Durchgang 12 verbunden. Dies bewirkt ein leichtes Abgeben des Wassers zwischen dem dünnen Film 11 und der Anoden-Elektrodenschicht 4 der Membran-Elektrodeneinheit 1 aus dem Durchgang 12 über die Nuten 14 aus demselben Grund wie bei dem oben beschriebenen Vorteil (2).
(6) Der dünne Film 11 hat eine höhere Hydrophilie als der Separatorkörper 6. Somit bewegt sich aus demselben Grund wie bei dem oben beschriebenen Vorteil (3) Wasser in den Nuten 14 leicht in der Richtung, in der das Wasser zu dem Durchgang 12 abgegeben wird.

Die oben beschriebene Ausführungsform kann wie nachfolgend beschrieben abgewandelt werden.
Der Separatorkörper 6 ist aus Titan oder rostfreiem Stahl gefertigt. Stattdessen kann der Separatorkörper 6 aus anderen Arten von leitfähigen Materialien wie Carbon gefertigt sein.
Die Nuten 13, die zueinander in der Richtung benachbart sind, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, können mit demselben der entgegengesetzten Durchgänge 10 verbunden sein, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen. Auf die gleiche Weise können die Nuten 14, die zueinander in der Richtung benachbart sind, in der sich die Vorsprünge 8 erstrecken, mit demselben der entgegengesetzten Durchgänge 12 verbunden sein, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen.
Wie in 4 gezeigt ist, kann jede Nut 13 derart eingerichtet sein, dass eines von den entgegengesetzten Enden der Nut 13 in der Längsrichtung mit einem von den entgegengesetzten Durchgängen 10 verbunden ist, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen, und das andere von den entgegengesetzten Enden der Nut 13 in der Längsrichtung mit dem anderen von den entgegengesetzten Durchgängen 10 verbunden ist, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen. Auf die gleiche Weise kann jede Nut 14 derart eingerichtet sein, dass eines von den entgegengesetzten Enden der Nut 14 in der Längsrichtung mit einem von den entgegengesetzten Durchgängen 12 verbunden ist, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen, und das andere von den entgegengesetzten Enden der Nut 14 in der Längsrichtung mit dem anderen von den entgegengesetzten Durchgängen 12 verbunden ist, die den entsprechenden Vorsprung 8 (erster Vorsprung) dazwischen anordnen.
Die dünnen Filme 9 und 11, die jeweils die Nuten 13 und 14 umfassen, sind durch Tintenstrahldruck ausgebildet. Somit kann eine Musteranpassung eines Tintenstrahldrucks verwendet werden, um die Formen der Nuten 13 und 14 der dünnen Filme 9 und 11 zu verändern.
Die Nuten 13 des dünnen Films 9 oder die Nuten 14 des dünnen Films 11 können weggelassen werden.
Die dünnen Filme 9 und 11 müssen nicht notwendigerweise eine höhere Hydrophilie als der Separatorkörper 6 haben.
Verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten können an den obigen Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Geist und Umfang der Ansprüche und ihren Äquivalenten abzuweichen. Die Beispiele dienen nur der Beschreibung und nicht der Beschränkung. Beschreibungen von Merkmalen in jedem Beispiel sind als auf ähnliche Merkmale oder Aspekte in anderen Beispielen anwendbar zu betrachten. Geeignete Ergebnisse können erreicht werden, falls Abläufe in anderer Reihenfolge durchgeführt werden und/oder falls Komponenten in einem beschriebenen System, einer Architektur, einer Vorrichtung oder einem Kreis unterschiedlich kombiniert werden und/oder durch andere Komponenten oder deren Äquivalente ersetzt oder ergänzt werden. Der Umfang der Offenbarung ist nicht durch die ausführliche Beschreibung definiert, sondern durch die Ansprüche und deren Äquivalente. Alle Veränderungen innerhalb des Umfangs der Ansprüche und deren Äquivalente sind in der Offenbarung umfasst.
Ein Brennstoffzellenseparator umfasst einen Separatorkörper, der eingerichtet ist, um zwischen Membran-Elektrodeneinheiten angeordnet zu sein, und umfasst Vertiefungen und Vorsprünge, die in dem Separatorkörper ausgebildet sind. Die Vorsprünge umfassen erste Vorsprünge, die eingerichtet sind, um einer Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit zugewandt zu sein. Ein dünner Film ist an einer Fläche von jedem von den ersten Vorsprüngen angeordnet. Die Vertiefungen umfassen erste Vertiefungen, die sich in einer Vorsprungrichtung der ersten Vorsprünge öffnen. Jede von den ersten Vertiefungen ist eingerichtet, um einen Durchgang auszubilden, durch den der Elektrodenschicht Oxidationsgas oder Brenngas zugeführt wird. Ein Abschnitt von jedem von den dünnen Filmen, der mit der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit in Kontakt ist, umfasst eine Nut, wobei die Nut mit mindestens einem von den Durchgängen verbunden ist, die an entgegengesetzten Seiten von einem von den ersten Vorsprüngen gelegen ist, der den dünnen Film umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6199266 [0002]

Claims

Brennstoffzellenseparator mit: einem plattenförmigen leitfähigen Separatorkörper, der eingerichtet ist, um zwischen Membran-Elektrodeneinheiten in einer Brennstoffzelle angeordnet zu sein; und Vertiefungen und Vorsprüngen, die in dem Separatorkörper derart ausgebildet sind, dass die Vertiefungen und die Vorsprünge parallel zueinander abwechselnd angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge erste Vorsprünge umfassen, die eingerichtet sind, um einer Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit zugewandt zu sein, ein dünner Film an einer Fläche von jedem von den ersten Vorsprüngen angeordnet ist, wobei der dünne Film eine höhere Leitfähigkeit als der Separatorkörper hat, die ersten Vorsprünge eingerichtet sind, um mit der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit mit den dazwischen gelegenen dünnen Filmen in Kontakt zu sein, die Vertiefungen erste Vertiefungen umfassen, die sich in einer Vorsprungrichtung der ersten Vorsprünge öffnen, jede von den ersten Vertiefungen eingerichtet ist, um einen Durchgang auszubilden, durch den der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit Oxidationsgas oder Brenngas zugeführt wird, wobei der Durchgang an einer Innenseite von jeder von den ersten Vertiefungen gelegen ist, und ein Abschnitt von jedem von den dünnen Filmen, der mit der Elektrodenschicht der Membran-Elektrodeneinheit in Kontakt ist, eine Nut umfasst, wobei die Nut sich in einer Richtung erstreckt, die die Vertiefungen und die Vorsprünge schneidet, und mindestens mit einem von den Durchgängen verbunden ist, die an entgegengesetzten Seiten von einem von den ersten Vorsprüngen gelegen sind, der den dünnen Film umfasst.
Brennstoffzellenseparator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut ein Ende in einer Längsrichtung der Nut hat, wobei das Ende mit dem Durchgang verbunden ist.
Brennstoffzellenseparator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut eine von einer Vielzahl von Nuten ist, die mit Abstand getrennt voneinander in einer Richtung angeordnet sind, in der sich die Vorsprünge erstrecken, und diejenigen der Nuten, die in der Richtung, in der sich die Vorsprünge erstrecken, zueinander benachbart sind, mit verschiedenen von den Durchgängen verbunden sind, die an den entgegengesetzten Seiten des entsprechenden ersten Vorsprungs gelegen sind.
Brennstoffzellenseparator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut entgegengesetzte Enden in einer Längsrichtung der Nut hat, wobei eines der entgegengesetzten Enden mit einem der Durchgänge verbunden ist, die an den entgegengesetzten Seiten des entsprechenden ersten Vorsprungs gelegen sind, das andere der entgegengesetzten Enden mit dem anderen der Durchgänge verbunden ist, die an den entgegengesetzten Seiten des entsprechenden ersten Vorsprungs gelegen sind.
Brennstoffzellenseparator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film eine höhere Hydrophilie als der Separatorkörper hat.