DE102021111842A1

DE102021111842A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102021111842A1
Application number: DE102021111842.5A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Okabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-11-18
Also published as: US20210359333A1; JP7226392B2; CN113675422A; US11508982B2; JP2021180154A; CN113675422B

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellenstapel geschaffen, der so konfiguriert ist, dass er die Menge an flüssigem Wasser, die in Sammelrohren verbleibt, reduziert. Ein Brennstoffzellenstapel weist gestapelte Einheitszellen auf, von denen jede eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Elektrolytmembran und einem Paar Elektroden, die auf deren beiden Oberflächen angeordnet sind, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig halten, und eine rahmenförmige Harzplatte aufweist, die zwischen den beiden Separatoren und um die Membran-Elektroden-Anordnung herum angeordnet ist, um die Separatoren zu befestigen, wobei die Harzplatte einen ersten Vorsprung aufweist, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines ersten Bereichs einnimmt, der von einem Reaktionsgaseinlasssammelrohr eingenommen wird, und einen zweiten Vorsprung, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines zweiten Bereichs einnimmt, der von einem Reaktionsgasauslasssammelrohr eingenommen wird; und wobei die Harzplatte zumindest eine Wasserauslassöffnung an einer vorbestimmten Position von zumindest einem Vorsprung aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung besteht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Leistungs- bzw. Stromerzeugungsvorrichtung, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff (H₂), der als Brenngas dient, und Sauerstoff (O₂), der als Oxidationsgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden auch einfach als „Stapel“ bezeichnet) erzeugt, der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen (im Folgenden auch als „Zellen“ bezeichnet) besteht. Nachstehend können das Brenngas und das Oxidationsgas gemeinsam und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden.
Im Allgemeinen bestehen die Einheitsbrennstoffzellen aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und, falls erforderlich, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig umgeben.
Die Membran-Elektroden-Anordnung hat eine solche Struktur, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Oberflächen einer Festpolymer-Elektrolytmembran mit Protonen-(H⁺)-Leitfahigkeit (im Folgenden einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) ausgebildet sind.
Im Allgemeinen haben die Separatoren eine solche Struktur, dass auf einer Oberfläche, die in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht steht, eine Nut als Reaktionsgasströmungsweg gebildet ist. Die Separatoren fungieren als Kollektor für den erzeugten Strom.
In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird der aus dem Gasströmungsweg und der Gasdiffusionsschicht zugeführte Wasserstoff durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff geht durch die Elektrolytmembran zur Oxidationselektrode (Kathode). Gleichzeitig wird ein Elektron erzeugt, das durch einen externen Stromkreis läuft, Arbeit verrichtet und dann zur Kathode geht. Der der Kathode zugeführte Sauerstoff reagiert mit dem Proton und dem Elektron an der Kathode und erzeugt dabei Wasser.
Das erzeugte Wasser versorgt die Elektrolytmembran mit entsprechender Feuchtigkeit. Überschüssiges Wasser durchdringt die Gasdiffusionsschicht und wird dann aus dem System nach außen abgeleitet.
Es wurde viel über einen Brennstoffzellenstapel geforscht, der in einem Brennstoffzellenfahrzeug (im Folgenden einfach als „Fahrzeug“ bezeichnet) installiert und verwendet wird.
Ein Brennstoffzellenstapel verwendet im Allgemeinen eine Reaktionsgasverbindungsöffnung, die in die Stapelrichtung der Einheitszellen eindringt, d.h. ein sogenanntes Sammelrohr. Wenn Wasser durch die Stromerzeugungsreaktion erzeugt wird und sich insbesondere im Reaktionsgasauslasssammelrohr (auslassseitige Reaktionsgasverbindungsöffnung) eines solchen Brennstoffzellenstapels vom Sammelrohr-Typ ansammelt, gibt es z.B. folgende Möglichkeiten: Das erzeugte Wasser fließt während der Gasspülung zu den Einheitszellen zurück, und es dauert lange, den Brennstoffzellenstapel aufzuwärmen, da das erzeugte Wasser bei Gefriertemperaturen gefriert. Entsprechend ist es notwendig, das gesammelte Wasser zu reduzieren.
Beispielsweise offenbart die Patentliteratur 1 einen Brennstoffzellenstapel, der in der Lage ist, kondensiertes Wasser direkt in Richtung der Schwerkraft entlang einer Reaktionsgasverbindungsöffnung fallen zu lassen, und der in der Lage ist, die Erzeugung einer Flüssigkeitsverbindung zwischen den stromerzeugenden Zellen schnell zu stoppen.
Die Patentliteratur 2 offenbart eine Brennstoffbatterie-Einheitszelle, die in der Lage ist, die Komplexität der Arbeit zu reduzieren.
Die Patentliteratur 3 offenbart eine Dichtung für Brennstoffzellen, die in der Lage ist, die Ansammlung von Feuchtigkeit zu unterdrücken, die auf einer Kathodenoberflächenseite in einer Zelle in einer Dichtungseinbaunut erzeugt wird, und die in der Lage ist, eine Abnahme des Stromerzeugungswirkungsgrads zu unterdrücken, die durch die Ansammlung der Feuchtigkeit verursacht wird.

Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung JP 2010- 192 291 A
Patentliteratur 2: JP 2019 - 102 146 A
Patentliteratur 3: JP 2006 - 004 799 A

Gemäß der in der Patentliteratur 1 offenbarten Technik kann das angesammelte Wasser aufgrund der Oberflächenspannung zurückbleiben, auch wenn es durch die Schwerkraft und den durch die Gasspülung erzeugten Luftstrom abfallen kann. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass das angesammelte Wasser nicht vollständig abfallen kann, wenn die Stapelrichtung des Stapels nicht mit der Richtung der Schwerkraft übereinstimmt.
Die in der Patentliteratur 2 beschriebene Harzplatte hat eine Verlängerung, die sich bis zu einer Sammelrohrseite erstreckt; sie hat jedoch keine Wasserauslassöffnung. In der Brennstoffbatterie-Einheitszelle der Patentliteratur 2 wird sich daher wahrscheinlich flüssiges Wasser um das Sammelrohr herum ansammeln.
Wenn flüssiges Wasser im Sammelrohr verbleibt, gibt es die folgenden Probleme: Die Spülzeit verlängert sich aufgrund einer Verringerung der Luftstrommenge während der Gasspülung, und die Aufwärmzeit des Brennstoffzellenstapels verlängert sich aufgrund des Einfrierens des angesammelten Wassers bei Gefriertemperaturen.
KURZFASSUNG
Die hier offenbarten Ausführungsformen wurden im Lichte der oben genannten Umstände erreicht. Eine Aufgabe der offenbarten Ausführungsformen ist es, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, der so konfiguriert ist, dass er die Menge an flüssigem Wasser, die in seinen Sammelrohren verbleibt, reduziert, die Verlängerung der Spülzeit, die auf eine Reduzierung der Luftstrommenge während der Gasspülung zurückzuführen ist, reduziert, und die Verlängerung der Aufwärmzeit des Brennstoffzellenstapels, die auf das Gefrieren des angesammelten Wassers bei Gefriertemperaturen zurückzuführen ist, reduziert.
In einer ersten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellenstapel geschaffen, der gestapelte Einheitszellen aufweist, von denen jede eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Elektrolytmembran und einem Paar Elektroden, die auf deren beiden Oberflächen angeordnet sind, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig halten, und eine rahmenförmige Harzplatte aufweist, die zwischen den beiden Separatoren und um die Membran-Elektroden-Anordnung herum angeordnet ist, um die Separatoren zu befestigen,
wobei die Separatoren einen Reaktionsgasströmungsweg zum Strömen von Reaktionsgas in einer Ebenenrichtung der Separatoren, eine Reaktionsgaszuführöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in einer Stapelrichtung der Einheitszellen und eine Reaktionsgasauslassöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in der Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen;
wobei die Harzplatte eine Reaktionsgaszuführöffnung und eine Reaktionsgasauslassöffnung aufweist, die ausgerichtet und angeordnet sind, um entsprechend mit der Reaktionsgaszuführöffnung und der Reaktionsgasauslassöffnung der Separatoren zu kommunizieren;
wobei der Brennstoffzellenstapel ein Reaktionsgaseinlasssammelrohr, das mit den Reaktionsgaszuführöffnungen in Verbindung steht, und ein Reaktionsgasauslasssammelrohr, das mit den Reaktionsgasauslassöffnungen in Verbindung steht, aufweist;
wobei der Brennstoffzellenstapel eine Dichtung zwischen den Separatoren der benachbarten Einheitszellen, an einem Umfang des Reaktionsgaseinlasssammelrohrs und an einem Umfang des Reaktionsgasauslasssammelrohrs aufweist;
wobei die Harzplatte einen ersten Vorsprung aufweist, der in einer Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines ersten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgaseinlasssammelrohr eingenommen wird, und einen zweiten Vorsprung, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines zweiten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgasauslasssammelrohr eingenommen wird; und
wobei die Harzplatte zumindest eine Wasserauslassöffnung an einer vorbestimmten Position von zumindest einem Vorsprung aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung besteht.
Die Dichtung weist einen Teil mit fester Größe zum parallelen Stapeln der Einheitszellen auf, und die Dichtung kann eine Verlängerung aufweisen, die den Teil mit fester Größe verlängert, um sich mit den Vorsprüngen der Harzplatte auszurichten.
Gemäß den hier offenbarten Ausführungsformen wird ein Brennstoffzellenstapel geschaffen, der so konfiguriert ist, dass die Menge an flüssigem Wasser, die in den Sammelrohren verbleibt, reduziert wird.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen zeigt:

1 eine perspektivische Explosionsansicht der Einheitszelle einer Brennstoffzelle;
2 eine partielle Querschnittsansicht in Ebenenrichtung eines Beispiels der Umgebung der Reaktionsgasauslassöffnung der Einheitszellen in der Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen;
3 eine partielle Querschnittsansicht in Stapelrichtung eines Beispiels der Umgebung des Reaktionsgasauslasssammelrohrs des Brennstoffzellenstapels der offenbarten Ausführungsformen;
4 eine Querschnittsansicht in Ebenenrichtung eines Beispiels der Umgebung der Reaktionsgasauslassöffnung der in den offenbarten Ausführungsformen verwendeten Dichtung; und
5 eine partielle Querschnittsansicht in Stapelrichtung eines weiteren Beispiels der Umgebung des Reaktionsgasauslasssammelrohrs des Brennstoffzellenstapels der offenbarten Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Brennstoffzellenstapel der offenbarten Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellenstapel, der gestapelte Einheitszellen aufweist, von denen jede eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Elektrolytmembran und einem Paar Elektroden, die auf deren beiden Oberflächen angeordnet sind, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig halten, und eine rahmenförmige Harzplatte aufweist, die zwischen den beiden Separatoren und um die Membran-Elektroden-Anordnung herum angeordnet ist, um die Separatoren zu befestigen,
wobei die Separatoren einen Reaktionsgasströmungsweg zum Strömen von Reaktionsgas in einer Ebenenrichtung der Separatoren, eine Reaktionsgaszuführöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in einer Stapelrichtung der Einheitszellen und eine Reaktionsgasauslassöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in der Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen;
wobei die Harzplatte eine Reaktionsgaszuführöffnung und eine Reaktionsgasauslassöffnung aufweist, die ausgerichtet und angeordnet sind, um entsprechend mit der Reaktionsgaszuführöffnung und der Reaktionsgasauslassöffnung der Separatoren zu kommunizieren;
wobei der Brennstoffzellenstapel ein Reaktionsgaseinlasssammelrohr, das mit den Reaktionsgaszuführöffnungen in Verbindung steht, und ein Reaktionsgasauslasssammelrohr, das mit den Reaktionsgasauslassöffnungen in Verbindung steht, aufweist;
wobei der Brennstoffzellenstapel eine Dichtung zwischen den Separatoren der benachbarten Einheitszellen, an einem Umfang des Reaktionsgaseinlasssammelrohrs und an einem Umfang des Reaktionsgasauslasssammelrohrs aufweist;
wobei die Harzplatte einen ersten Vorsprung aufweist, der in einer Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines ersten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgaseinlasssammelrohr eingenommen wird, und einen zweiten Vorsprung, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines zweiten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgasauslasssammelrohr eingenommen wird; und
wobei die Harzplatte zumindest eine Wasserauslassöffnung an einer vorbestimmten Position von zumindest einem Vorsprung aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung besteht.
Wenn ein Fahrzeug in einer eisigen Umgebung angehalten wird, ist die Gasspülung erforderlich, um flüssiges Wasser abzuführen. Durch die Kapillarkraft kann sich das flüssige Wasser in dem Raum um die zwischen den Einheitszellen angeordnete Dichtung ansammeln. Nachdem die Gasspülung abgeschlossen ist, kann das im Raum um die Dichtung angesammelte flüssige Wasser aus dem Raum um die Dichtung in die Sammelrohre gedrückt werden und ein Austreten von flüssigem Wasser in die Sammelrohre verursachen.
Wenn das ausgetretene flüssige Wasser in die Gasströmungswege der Separatoren, eines Gasauslassventils, eines Wasserauslassventils usw. gelangt und während des Stillstands des Fahrzeugs gefriert, besteht das Problem, dass sich das Fahrzeug bei Gefriertemperaturen nur schwer starten lässt.
Dieses Problem kann verhindert werden, indem die Durchflussmenge des Spülgases verringert und der Druck im Inneren der Sammelrohre an den Druck des Raums um die Dichtung herum angeglichen wird. Ein weiteres Problem besteht jedoch darin, dass die Spülzeit verlängert werden muss.
Insbesondere werden die Ursachen für das Austreten von flüssigem Wasser in die Sammelrohre wie folgt eingeschätzt.

(1) Während der Stromerzeugung durch den Stapel wird ein Teil des flüssigen Wassers durch die Kapillarkraft in den Raum um die Dichtung zwischen den Einheitszellen (der Umfang der Sammelrohr) bewegt, und das flüssige Wasser sammelt sich allmählich in dem Raum um die Dichtung an.
(2) Vor der Gasspülung ist der Druck P1 im Inneren der Sammelrohre gleich dem Druck P2 im Raum um die Dichtung (der Raum, der nicht mit flüssigem Wasser gefüllt ist) (P1 = P2).
(3) In der ersten Hälfte der Gasspülung wird der Druck im Inneren der Sammelrohre durch die Gasspülung von P1 auf P1⁺ erhöht, und der Druck P1⁺ im Inneren der Sammelrohre wird auf mehr als den Druck P2 auf der Seite der Dichtung erhöht (P1⁺ > P2).
(4) In der zweiten Hälfte der Gasspülung wird das Gas komprimiert, um den Druck P2 des Raums um die Dichtung auf P2⁺ zu erhöhen, und der Druck P1⁺ im Inneren der Sammelrohre wird an den Druck P2⁺ des Raums um die Dichtung angeglichen (P1⁺ = P2⁺).
(5) Nachdem die Gasspülung abgeschlossen ist, wird aufgrund des Abschlusses der Gasspülung der Druck im Inneren der Sammelrohre von P1⁺ auf P1^- verringert, und der Druck P1^- im Inneren der Sammelrohre wird auf weniger als den Druck P2⁺ des Raums um die Dichtung herum verringert (P1^- < P2⁺). Dementsprechend wird das Gas in dem Raum um die Dichtung herum ausgedehnt, um das flüssige Wasser in den Raum um die Dichtung zu drücken, wodurch das Austreten von flüssigem Wasser verursacht wird.

Es wurde festgestellt, dass die Menge an flüssigem Wasser, die in den Sammelrohren verbleibt, reduziert werden kann, indem die Wasserauslassöffnung in den Vorsprüngen der Harzplatte angeordnet wird.
Der Brennstoffzellenstapel der offenbarten Ausführungsformen ist aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen zusammengesetzt.
Die Anzahl der gestapelten Einheitsbrennstoffzellen ist nicht besonders begrenzt. Zum Beispiel können zwei bis mehrere hundert Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden, oder 2 bis 200 Einheitsbrennstoffzellen können gestapelt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann an beiden in Stapelrichtung liegenden Enden jeder Einheitsbrennstoffzelle eine Endplatte enthalten.
Jede Einheitsbrennstoffzelle weist Folgendes auf: die Membran-Elektroden-Anordnung, die die Elektrolytmembran und das Paar Elektroden aufweist, die auf deren beiden Oberflächen angeordnet sind, die beiden Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig umgeben, und die rahmenförmige Harzplatte, die zwischen den beiden Separatoren und um die Membran-Elektroden-Anordnung herum angeordnet ist, um die Separatoren zu befestigen.
Das Elektrodenpaar besteht aus einer Oxidationselelektrode und einer Brennstoffelektrode.
Die Oxidationselektrode umfasst eine Oxidationselektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
Die Brennstoffelektrode umfasst eine Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
Die Katalysatorschicht der Oxidationselektrode und die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode können z.B. ein Katalysatormetall zur Beschleunigung einer elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitenden Elektrolyten oder elektronenleitende Kohlenstoffpartikel enthalten.
Als Katalysatormetall kann z.B. Platin (Pt) oder eine Legierung aus Pt und einem anderen Metall (z.B. eine Pt-Legierung gemischt mit Kobalt, Nickel o. ä.) verwendet werden.
Der Elektrolyt kann ein Fluorharz oder ähnliches sein. Als Fluorharz kann z.B. eine Nafion-Lösung verwendet werden.
Das Katalysatormetall ist auf Kohlenstoffpartikel aufgebracht. In jeder Katalysatorschicht können die Kohlenstoffpartikel, die das Katalysatormetall tragen (d.h. die Katalysatorpartikel), und der Elektrolyt gemischt sein.
Als die Kohlenstoffpartikel zum Tragen des Katalysatormetalls (d.h. tragende Kohlenstoffpartikel) können z.B. wasserabweisende Kohlenstoffpartikel verwendet werden, die erhalten werden, indem die wasserabweisenden Eigenschaften von handelsüblichen Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoffpulver) durch Erhitzen verbessert werden.
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder ähnliches sein.
Beispiele für das elektrisch leitende Element umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier, und ein poröses Metallmaterial, wie Metallgewebe und Metallschaum.
Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymer-Elektrolytmembran sein. Beispiele für die Festpolymer-Elektrolytmembran umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluor-Elektrolytmembran wie eine feuchtigkeitshaltige, dünne Perfluorsulfonsäuremembran. Die Elektrolytmembran kann z.B. eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) sein.
Die Separatoren umfassen den Reaktionsgasströmungsweg zum Strömen des Reaktionsgases in der Ebenenrichtung der Separatoren, die Reaktionsgaszuführöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in der Stapelrichtung der Einheitszellen und die Reaktionsgasauslassöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in der Stapelrichtung der Einheitszellen.
Beispiele für die Reaktionsgaszuführöffnung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngaszuführöffnung und eine Oxidationsgaszuführöffnung.
Beispiele für die Reaktionsgasauslassöffnung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngasauslassöffnung und eine Oxidationsgasauslassöffnung.
Die Separatoren können eine Kühlmittelzuführöffnung und eine Kühlmittelauslassöffnung aufweisen, bei denen es sich um Öffnungen zum Verteilen eines Kühlmittels in Stapelrichtung der Einheitszellen handelt.
Die Separatoren können an einer Oberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Reaktionsgasströmungsweg aufweisen. Außerdem können die Separatoren auf einer Oberfläche, die der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, um die Stapeltemperatur auf einem konstanten Niveau zu halten.
Die Separatoren können ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element usw. sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, gasundurchlässigen, dichten Kohlenstoff, der durch Verdichtung von Kohlenstoff gewonnen wird, und eine Metallplatte, die durch Pressformen gewonnen wird. Die Separatoren können eine Stromsammelfunktion haben.
Der Brennstoffzellenstapel hat das Reaktionsgaseinlasssammelrohr, das mit den Reaktionsgaszufuhröffnungen in Verbindung steht, und das Reaktionsgasauslasssammelrohr, das mit den Reaktionsgasauslassöffnungen in Verbindung steht.
Beispiele für das Reaktionsgaseinlasssammelrohr umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Anodeneinlasssammelrohr und ein Kathodeneinlasssammelrohr.
Beispiele für das Reaktionsgasauslasssammelrohr umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Anodenauslasssammelrohr und ein Kathodenauslasssammelrohr.
Der Brennstoffzellenstapel kann ein Kühlmitteleinlasssammelrohr, das mit den Kühlmitteleinlassöffnungen in Verbindung steht, und ein Kühlmittelauslasssammelrohr, das mit den Kühlmittelauslassöffnungen in Verbindung steht, umfassen.
Die Harzplatte ist eine rahmenförmige Harzkomponente, die zwischen den beiden Separatoren (dem anodenseitigen Separator und dem kathodenseitigen Separator) der Einheitszellen und um die Membran-Elektroden-Anordnung herum angeordnet ist.
Außerdem ist die Harzplatte eine Harzkomponente zur Verhinderung einer Querleckage oder eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Katalysatorschichten der Membran-Elektroden-Anordnung.
Die Harzplatte kann eine rahmenförmige Harzkernschicht und zwei rahmenförmige Klebeschichten enthalten, die auf beiden Oberflächen der Kernschicht angeordnet sind, d.h. die erste Klebeschicht und die zweite Klebeschicht.
Wie bei der Kernschicht sind auch die erste Klebeschicht und die zweite Klebeschicht rahmenförmig auf beiden Oberflächen der Kernschicht angeordnet.
Die Harzplatte erstreckt sich parallel zur Membran-Elektroden-Anordnung, an einer von der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung versetzten Position. Ein Klebstoff kann zwischen dem inneren Umfang der rahmenförmigen Harzplatte und dem Umfangsbereich der Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht werden, um diese zu verbinden.
Der Klebstoff kann z.B. ein wärmehärtendes Harz oder ein ultraviolett härtendes Harz sein. Der Zustand des Klebstoffs vor dem Auftragen kann z.B. ein Gel oder eine Creme sein.
Die Kernschicht kann aus einem solchen Material gebildet sein, dass die Struktur bei den Temperaturen des Heißpressens im Prozess der Herstellung der Einheitszellen nicht verändert wird. Beispiele für das Material für die Kernschicht umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethersulfon (PES) und Polyethylenterephthalat (PET).
Um die Kernschicht, den anodenseitigen Separator und den kathodenseitigen Separator zu befestigen und die Dichtungseigenschaften zu gewährleisten, können die erste und die zweite Klebeschicht folgende Eigenschaften aufweisen: hohe Adhäsion zu anderen Stoffen, Fähigkeit, bei den Heißpresstemperaturen zu erweichen, und niedrigere Viskosität und Schmelzpunkt als die Kernschicht. Insbesondere können die erste und zweite Klebeschicht aus thermoplastischem Harz wie Polyesterharz und modifiziertem Olefinharz bestehen, oder es kann sich um wärmehärtendes Harz (modifiziertes Epoxidharz) handeln.
Die erste Klebeschicht und die zweite Klebeschicht der Harzplatte können nur in einem Teil, der an dem anodenseitigen Separator angebracht ist, bzw. in einem Teil, der an dem kathodenseitigen Separator angebracht ist, angeordnet sein. Die erste Klebeschicht, die auf einer Oberfläche der Kernschicht angeordnet ist, kann am kathodenseitigen Separator befestigt werden. Die zweite Klebeschicht, die sich auf der anderen Oberfläche der Kernschicht befindet, kann an dem anodenseitigen Separator befestigt werden. Dann ist die Harzplatte sandwichartig zwischen den beiden Separatoren gehalten.
Die Harzplatte hat die Reaktionsgaszufuhröffnung und die Reaktionsgasauslassöffnung, die so ausgerichtet und angeordnet sind, dass sie mit der Reaktionsgaszufuhröffnung bzw. der Reaktionsgasauslassöffnung der Separatoren in Verbindung stehen.
Die Harzplatte hat den ersten Vorsprung, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil des ersten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgaseinlasssammelrohr eingenommen wird, und den zweiten Vorsprung, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil des zweiten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgasauslasssammelrohr eingenommen wird.
Die Form der Vorsprünge der Harzplatte ist nicht besonders begrenzt. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, der durch einen Kontakt zwischen den Separatoren verursacht wird, ist die Harzplatte im Allgemeinen in der Ebenenrichtung etwas länger als die Separatoren, wodurch ein Kurzschluss verhindert wird, der durch einen Kontakt zwischen den Separatoren in dem Fall verursacht wird, in dem die Separatoren unterschiedliche Längen haben. Dementsprechend können die Vorsprünge der Harzplatte konzentrisch zur Mitte der Sammelrohre verlängert werden, oder sie können so verlängert werden, dass die Fläche der Sammelrohre abnimmt.
Die Harzplatte kann zumindest eine Wasserauslassöffnung an einer vorbestimmten Position von zumindest einem Vorsprung aufweisen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung besteht. Da die Menge des erzeugten Wassers hauptsächlich im Reaktionsgasauslasssammelrohr größer ist als im Reaktionsgaseinlasssammelrohr, kann die Wasserauslassöffnung an der vorbestimmten Position des zweiten Vorsprungs angeordnet sein, der der Vorsprung auf der Seite des Reaktionsgasauslasssammelrohrs ist, oder die Wasserauslassöffnung kann an der vorbestimmten Position sowohl des ersten Vorsprungs als auch des zweiten Vorsprungs angeordnet sein.
Die Anzahl der Wasserauslassöffnungen ist nicht besonders begrenzt. Die Harzplatte kann eine oder mehrere Wasserauslassöffnungen haben, oder sie kann Wasserauslassöffnungen in vorgegebenen Abständen haben.
Die Position der Wasserauslassöffnung ist nicht besonders begrenzt. Wenn z.B. der Kühlmittelströmungsweg und der Reaktionsgasströmungsweg durch die Separatoren auf der Membran-Elektroden-Anordnungsseite der Harzplatte angeordnet sind, kann die Wasserauslassöffnung auf der äußeren Umfangsseite der Einheitszellen oder auch auf der Membran-Elektroden-Anordnungsseite angeordnet sein. Andererseits fließt, wenn der Kühlmittelströmungsweg und der Reaktionsgasströmungsweg nicht auf der Membran-Elektroden-Anordnungsseite der Harzplatte angeordnet sind, das erzeugte Wasser im Allgemeinen von der Membran-Elektroden-Anordnungsseite. Dementsprechend kann die Wasserauslassöffnung auf der Membran-Elektroden-Anordnungsseite angeordnet sein.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst die Dichtung zwischen den Separatoren der benachbarten Einheitszellen, am Umfang des Reaktionsgaseinlasssammelrohrs und am Umfang des Reaktionsgasauslasssammelrohrs.
Die Dichtung kann einen Teil mit fester Größe zum parallelen Stapeln der Einheitszellen umfassen.
Die Dichtung kann eine Verlängerung umfassen, die den Teil mit fester Größe verlängert, um mit den Vorsprüngen der Harzplatte fluchten zu können.
Die Verlängerung kann eine Wasserauslassöffnung aufweisen, die mit der Wasserauslassöffnung ausgerichtet ist, die an der vorbestimmten Position des Vorsprungs der Harzplatte angeordnet ist.
Die Anzahl der Wasserauslassöffnungen der Verlängerung kann gleich oder unterschiedlich zu der Anzahl der Wasserauslassöffnungen des Vorsprungs sein. Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung der in den Sammelrohren verbleibenden Menge an flüssigem Wasser können sie gleich sein.
Die Grundstruktur der Einheitszellen in der Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Einheitszelle 60. Der Brennstoffzellenstapel besteht aus gestapelten Einheitszellen 60. Der Brennstoffzellenstapel ist eine Festpolymer-Brennstoffzelle, die durch die Zufuhr von Brenngas (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsgas (z.B. Sauerstoff) als Reaktionsgas Leistung bzw. Strom erzeugt.
Die Einheitszelle 60 umfasst einen anodenseitigen Separator 33a, einen kathodenseitigen Separator 33c und eine Membran-Elektroden-Anordnung 20, die sandwichartig zwischen den Separatoren angeordnet ist.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 20 wird als „Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung“ (oder MEGA) bezeichnet, da sie eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 22a und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 22c auf der Anodenseite bzw. Kathodenseite der Anordnung aufweist.
Im Umfangsbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 20 ist eine Harzplatte 40 (ein Klebelaminat zur Abdichtung) angeordnet, die eine rahmenförmige, elektrisch isolierende Harzplatte mit Dichtungsfunktion ist.
Öffnungen a1 bis a3 sind auf einer der beiden kürzeren Seiten des anodenseitigen Separators 33a ausgebildet, und Öffnungen a4 bis a6 sind auf der anderen kürzeren Seite des anodenseitigen Separators 33a ausgebildet. In ähnlicher Weise sind Öffnungen c1 bis c3 auf einer der beiden kürzeren Seiten des kathodenseitigen Separators 33c ausgebildet und Öffnungen c4 bis c6 sind auf der anderen kürzeren Seite des kathodenseitigen Separators 33c ausgebildet.
Öffnungen s1 bis s3 sind auf einer der beiden kürzeren Seiten der Harzplatte 40 ausgebildet, und Öffnungen s4 bis s6 sind auf der anderen kürzeren Seite der Harzplatte 40 ausgebildet. Die Öffnungen a1, s1 und c1 kommunizieren bzw. stehen miteinander in Verbindung, um das Kathodeneinlasssammelrohr zu definieren. In ähnlicher Weise stehen die Öffnungen a2, s2 und c2 in Verbindung, um das Kühlmittelauslasssammelrohr zu definieren; die Öffnungen a3, s3 und c3 stehen in Verbindung, um das Anodenauslasssammelrohr zu definieren; die Öffnungen a4, s4 und c4 stehen in Verbindung, um das Anodeneinlasssammelrohr zu definieren; die Öffnungen a5, s5 und c5 stehen in Verbindung, um das Kühlmitteleinlasssammelrohr zu definieren; und die Öffnungen a6, s6 und c6 stehen in Verbindung, um das Kathodenauslasssammelrohr zu definieren.
Ein Anodenströmungsweg 34a ist auf einer Oberfläche des anodenseitigen Separators 33a ausgebildet, die eine der Membran-Elektroden-Anordnung 20 zugewandte Oberfläche ist. Der Anodenströmungsweg 34a steht mit dem Anodeneinlasssammelrohr und dem Anodenauslasssammelrohr in Verbindung, um das Brenngas hindurchströmen zu lassen. In ähnlicher Weise ist ein Kathodenströmungsweg 34c auf einer Oberfläche des kathodenseitigen Separators 33c ausgebildet, die eine der Membran-Elektroden-Anordnung 20 zugewandte Oberfläche ist. Der Kathodenströmungsweg 34c steht mit dem Kathodeneinlasssammelrohr und dem Kathodenauslasssammelrohr in Verbindung, um das Oxidationsgas hindurchströmen zu lassen. Auf der anderen Oberfläche des anodenseitigen Separators 33a, die dem Anodenströmungsweg 34a gegenüberliegt, ist ein Kühlmittelströmungsweg 35a ausgebildet. Der Kühlmittelströmungsweg 35a steht mit dem Kühlmitteleinlasssammelrohr und dem Kühlmittelauslasssammelrohr in Verbindung, um das Kühlmittel hindurchströmen zu lassen. Außerdem ist auf der anderen Oberfläche des kathodenseitigen Separators 33c, die dem Kathodenströmungsweg 34c gegenüberliegt, ein Kühlmittelströmungsweg 35c ausgebildet. Der Kühlmittelströmungsweg 35c steht mit dem Kühlmitteleinlasssammelrohr und dem Kühlmittelauslasssammelrohr in Verbindung, um das Kühlmittel hindurchströmen zu lassen.
2 ist eine partielle Querschnittsansicht in Ebenenrichtung eines Beispiels der Umgebung der Reaktionsgasauslassöffnung der Einheitszellen in der Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen.
Wie in 2 gezeigt, sind die Harzplatte 40, ein Separator 33 und eine Dichtung 50 in dieser Reihenfolge um eine Reaktionsgasauslassöffnung 36 der Einheitszelle 60 der Brennstoffzelle herum ausgebildet. Die Harzplatte 40 hat einen Vorsprung 41, der in der Ebenenrichtung vorsteht und einen Teil des zweiten Bereichs einnimmt, der von der Reaktionsgasauslassöffnung (Reaktionsgasauslasssammelrohr) 36 eingenommen ist. In dem Vorsprung 41 sind Wasserauslassöffnungen 42 angeordnet. Die MEA wird hier der Einfachheit halber nicht beschrieben. Die in 2 gezeigte Dichtung 50 ist ein Beispiel für eine Dichtung, die nicht sowohl einen Vorsprung als auch eine Wasserauslassöffnung aufweist.
3 ist eine partielle Querschnittsansicht in Stapelrichtung eines Beispiels der Umgebung des Reaktionsgasauslasssammelrohres des Brennstoffzellenstapels der offenbarten Ausführungsformen.
3 ist ein Beispiel des Brennstoffzellenstapels mit der in 2 gezeigten Einheitszelle.
Wie in 3 gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 70 in der Umgebung des Reaktionsgasauslasssammelrohrs 36 die Einheitszellen 60 auf. Jede Einheitszelle 60 ist ein Stapel aus dem anodenseitigen Separator 33a, der Harzplatte 40, dem kathodenseitigen Separator 33c und der Dichtung 50, die in dieser Reihenfolge um das Reaktionsgasauslasssammelrohr 36 des Brennstoffzellenstapels 70 herum gestapelt sind. Die Harzplatte 40 hat den Vorsprung 41, der in der Ebenenrichtung vorsteht und einen Teil des zweiten Bereichs einnimmt, der vom Reaktionsgasauslasssammelrohr 36 eingenommen wird. Die Wasserauslassöffnungen 42 sind in dem Vorsprung 41 angeordnet. Die MEA wird hier der Einfachheit halber nicht beschrieben. Die in 3 gezeigte Dichtung 50 ist ein Beispiel für eine Dichtung, die nicht sowohl einen Vorsprung als auch eine Wasserauslassöffnung aufweist.
4 ist eine Querschnittsansicht in Ebenenrichtung eines Beispiels der Umgebung der Reaktionsgasauslassöffnung der Dichtung, die in den offenbarten Ausführungsformen verwendet wird.
Wie in 4 gezeigt, hat die Dichtung (Teil mit fester Größe) 50 eine Verlängerung 51, die in der Ebenenrichtung vorsteht und einen Teil des zweiten Bereichs einnimmt, der von der Reaktionsgasauslassöffnung (Reaktionsgasauslasssammelrohr) 36 eingenommen wird. Die Wasserauslassöffnungen 52 sind in der Verlängerung 51 angeordnet. Dementsprechend zeigt 4 ein Beispiel der Dichtung, die die Verlängerung und die Wasserauslassöffnungen aufweist.
5 ist eine partielle Querschnittsansicht in Stapelrichtung eines weiteren Beispiels der Umgebung des Reaktionsgasauslasssammelrohrs des Brennstoffzellenstapels der offenbarten Ausführungsformen.
5 ist ein Beispiel des Brennstoffzellenstapels, der eine Dichtung mit einer Verlängerung und Wasserauslassöffnungen aufweist.
Wie in 5 dargestellt, hat der Brennstoffzellenstapel 70 in der Umgebung des Reaktionsgasauslasssammelrohrs 36 die Einheitszellen. Jede Einheitszelle ist ein Stapel aus dem anodenseitigen Separator 33a, der Harzplatte 40, dem kathodenseitigen Separator 33c und der Dichtung 50, die in dieser Reihenfolge um das Reaktionsgasauslasssammelrohr 36 des Brennstoffzellenstapels 70 gestapelt sind. Die Harzplatte 40 hat den Vorsprung 41, der in der Ebenenrichtung vorsteht und einen Teil des zweiten Bereichs einnimmt, der vom Reaktionsgasauslasssammelrohr 36 eingenommen wird. Die Wasserauslassöffnungen 42 sind in dem Vorsprung 41 angeordnet. Die Dichtung (Teil mit fester Größe) 50 hat die Verlängerung 51, die in der Ebenenrichtung vorsteht und so angeordnet ist, dass sie mit dem Vorsprung 41 fluchtet. Die Wasserauslassöffnungen 52 sind in der Verlängerung 51 angeordnet, die so angeordnet sind, dass sie mit den Wasserauslassöffnungen 42 des Vorsprungs 41 fluchten. Die MEA wird hier der Einfachheit halber nicht beschrieben.
Bezugszeichenliste

20.: Membran-Elektroden-Anordnung
22a.: anodenseitige Gasdiffusionsschicht
22c.: kathodenseitige Gasdiffusionsschicht
33.: Separatoren
33a.: anodenseitiger Separator
33c.: kathodenseitiger Separator
34a.: Anodenströmungsweg
34c.: Kathodenströmungsweg
35a, 35c.: Kühlmittelströmungsweg
36.: Reaktionsgasauslassöffnung (Reaktionsgasauslasssammelrohr)
40.: Harzplatte
41.: Vorsprung
42.: Wasserauslassöffnung
50.: Dichtung (Teil mit fester Größe)
51.: Verlängerung
52.: Wasserauslassöffnung
60.: Einheitszelle
70.: Brennstoffzellenstapel
a1 bis a3, a4 bis a6.: Öffnung des anodenseitigen Separators 33a
c1 bis c3, c4 bis c6.: Öffnung des kathodenseitigen Separators 33c
s1 bis s3, s4 bis s6.: Öffnung der Harzplatte 40

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010192291 A [0012]
JP 2019 [0012]
JP 102146 A [0012]
JP 2006 [0012]
JP 004799 A [0012]

Claims

Brennstoffzellenstapel, aufweisend gestapelte Einheitszellen, von denen jede eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Elektrolytmembran und einem Paar Elektroden, die auf deren beiden Oberflächen angeordnet sind, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig halten, und eine rahmenförmige Harzplatte aufweist, die zwischen den beiden Separatoren und um die Membran-Elektroden-Anordnung herum angeordnet ist, um die Separatoren zu befestigen, wobei die Separatoren einen Reaktionsgasströmungsweg zum Strömen von Reaktionsgas in einer Ebenenrichtung der Separatoren, eine Reaktionsgaszufuhröffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in einer Stapelrichtung der Einheitszellen und eine Reaktionsgasauslassöffnung zum Verteilen des Reaktionsgases in der Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen; wobei die Harzplatte eine Reaktionsgaszuführöffnung und eine Reaktionsgasauslassöffnung aufweist, die ausgerichtet und angeordnet sind, um entsprechend mit der Reaktionsgaszuführöffnung und der Reaktionsgasauslassöffnung der Separatoren zu kommunizieren; wobei der Brennstoffzellenstapel ein Reaktionsgaseinlasssammelrohr, das mit den Reaktionsgaszufuhröffnungen in Verbindung steht, und ein Reaktionsgasauslasssammelrohr, das mit den Reaktionsgasauslassöffnungen in Verbindung steht, aufweist; wobei der Brennstoffzellenstapel eine Dichtung zwischen den Separatoren der benachbarten Einheitszellen, an einem Umfang des Reaktionsgaseinlasssammelrohrs und an einem Umfang des Reaktionsgasauslasssammelrohrs aufweist; wobei die Harzplatte einen ersten Vorsprung aufweist, der in einer Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines ersten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgaseinlasssammelrohr eingenommen wird, und einen zweiten Vorsprung, der in der Ebenenrichtung der Harzplatte vorsteht und einen Teil eines zweiten Bereichs einnimmt, der von dem Reaktionsgasauslasssammelrohr eingenommen wird; und wobei die Harzplatte zumindest eine Wasserauslassöffnung an einer vorbestimmten Position von zumindest einem Vorsprung aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung besteht.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Dichtung einen Teil mit fester Größe zum parallelen Stapeln der Einheitszellen aufweist, und wobei die Dichtung eine Verlängerung aufweist, die den Teil mit fester Größe verlängert, um sich mit den Vorsprüngen der Harzplatte auszurichten.