DE10300068A1

DE10300068A1 - Fuel Cell

Info

Publication number: DE10300068A1
Application number: DE10300068A
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Enjoji; Masaharu Suzuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2023-01-04
Also published as: CA2415601A1; JP2003203650A; US20030129475A1; DE10300068B4; US7022430B2; CA2415601C; JP4344500B2

Abstract

Eine Brennstoffzelle (10) weist eine Membranelektrodenanordnung (14) und erste und zweite Metallplattenseparatoren (16, 28) auf. Der erste Metallplattenseparator (16) weist einen Brennstoffgasdurchlaß (36) auf, der auf einer Oberfläche (16a) desselben definiert ist. Der Brennstoffgasdurchlaß (36) weist mehrere erhabene Körper (41) auf, die von der Oberfläche (16a), die der Membranelektrodenanordnung (14) zugewandt sind, hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen (42a, 42b, 42c), die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern (41) geschaffen werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung mit einem Elektrolyt und Elektroden, die an jeweils entgegengesetzten Seiten des Elektrolyts angeordnet sind, und ein Paar Metallplattenseparatoren umfaßt, die die Membranelektrodenanordnung sandwich-artig umgeben, wobei die Separatoren Reaktionsgasdurchlässe aufweisen, um den Oberflächen der Elektroden der Membranelektrodenanordnung Reaktionsgase zuzuführen.

Beschreibung des Standes der Technik

Festkörper-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden eine Ionenaustauschmembran (Elektrolyt), die eine Festkörper-Polymer-Ionenaustauschmembran (Protonenaustauschmembran) umfaßt. Eine Membranelektrodenanordnung umfaßt eine Anode und eine Katode, die jeweils aus einem Elektrodenkatalysator und einer porösen Kohlenstoffplatte bestehen, die den entgegengesetzten Seiten der Ionenaustauschmernbran zugewandt angeordnet sind. Die Membranelektrodenanordnung ist sandwich-artig zwischen Separatoren (bipolaren Platten) aufgenommen, wodurch eine Einheitszelle gebildet wird. Eine vorgegebene Anzahl solcher Einheitszellen wird für die Verwendung als Brennstoffzellenstapel gestapelt.

Wenn der Anode ein Brennstoffgas, z. B. ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält (im folgenden als "wasserstoffhaltiges Gas" bezeichnet) zugeführt wird, wird der Wasserstoff im Gas am Elektrodenkatalysator ionisiert und bewegt sich durch die Ionenaustauschmembran zur Katode. Die Elektronen, die erzeugt werden, während der Wasserstoff in Bewegung ist, werden einer externen Schaltung zugeführt, die die Elektronen als elektrische Energie im Form eines Gleichstroms nutzt. Da der Katode ein hauptsächlich Sauerstoff enthaltendes Gas oder Luft zugeführt wird (im folgenden als "sauerstoffhaltiges Gas" bezeichnet), reagieren z. B. die Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff an der Katode miteinander, wodurch Wasser erzeugt wird.

Im Brennstoffzellenstapel weisen die Separatoren der Katode zugewandt einen innerhalb ihrer Oberflächen definierten Brennstoffgasdurchlaß zum Durchlassen eines Brennstoffgases gegenüberliegend der Anode und einen Oxidationsgasdurchlaß zum Durchlassen eines sauerstoffhaltigen Gases auf. Kühlmitteldurchlässe zum Durchlassen eines Kühlmittels sind zwischen den Separatoren definiert, wobei die Kühlmitteldurchlässe sich längs der Oberflächen der Separatoren erstrecken.

Im allgemeinen weisen der Brennstoffgasdurchlaß und der Durchlaß für sauerstoffhaltiges Gas (im folgenden als "Reaktionsgasdurchlässe" bezeichnet) und die Kühlmitteldurchlässe die Form mehrerer Durchlaßnuten auf, die in den Oberflächen der Separatoren definiert sind und sich von Durchlaßeinlässen zu Durchlaßauslässen erstrecken, weiche in der Richtung verlaufen, in der die Separatoren gestapelt sind. Die Durchlaßnuten enthalten gerade Nuten und gefaltete Nuten.

Wenn die Durchlaßnuten mit den Durchlaßeinlässen und Auslässen verbunden sind, die kleine Öffnungen umfassen, müssen u m die Durchlaßeinlässe und Auslässe Pufferbereiche vorgesehen sein, um die Fluide, einschließlich des Brennstoffgases, des sauerstoffhaltigen Gases und des Kühlmittels, den Oberflächen der Separatoren längs der Durchlaßnuten gleichmäßig zuzuführen. Wenn die Durchlaßnuten parallel zueinander verlaufen, tendiert das erzeugte Wasser dazu, in bestimmten Durchlaßnuten zu verharren, und kann nicht effektiv aus diesen abgeleitet werden.

Es ist z. B. ein Brennstoffzellenseparator bekannt, wie er in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 8-222237 offenbart ist. Gemäß der offenbarten Anordnung, wie in Fig. 16 der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, umfaßt eine Separatorplatte 1 eine dünne Metallplatte und weist mehrere erhabene oder eingedrückte Vorsprünge 2, 3 auf ihrer vorderen und ihrer hinteren Oberfläche in beabstandeten Intervallen von mehreren mm auf.

Die Separatorplatte 1 weist einen Brennstoffgaseinlaß 4a und einen Brennstoffgasauslaß 4b auf, die in jeweils entgegengesetzten Seitenkanten derselben definiert sind, sowie einen Einlaß 5a für sauerstoffhaltiges Gas und einen Auslaß 5b für sauerstoffhaltiges Gas, die in jeweils in entgegengesetzten oberen und unteren Kanten derselben definiert sind.

Die Vorsprünge 2 stehen von einer Oberfläche 1a der Separatorplatte 1 hervor und definieren dazwischen einen Brennstoffgasdurchlaß 6, der mit dem Brennstoffgaseinlaß 4a und dem Brennstoffgasauslaß 4b in Verbindung steht. Die Vorsprünge 3 stehen von der anderen Oberfläche 1b der Separatorplatte 1 hervor und definieren dazwischen einen Durchlaß 7 für sauerstoffhaltiges Gas, der mit dem Einlaß 5a für sauerstoffhaltiges Gas und dem Auslaß 5b für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung steht.

Ein Brennstoffgas, das vom Brennstoffgaseinlaß 4a der Oberfläche 1a der Separatorplatte 1 zugeführt wird, strömt durch den Brennstoffgasdurchlaß 6, der sich kontinuierlich zwischen den Vorsprüngen 2 erstreckt, und wird einer (nicht gezeigten) Elektrode zugeführt. Das Brennstoffgas, das nicht verwendet wird, wird in den Brennstoffgasauslaß 4b abgeleitet.

Ein sauerstoffhaltige Gas, das vom Einlaß 5a für sauerstoffhaltiges Gas der Oberfläche 1b der Separatorplatte 1 zugeführt wird, strömt durch den Durchlaß 7 für sauerstoffhaltiges Gas, der sich kontinuierlich zwischen den Vorsprüngen 3 erstreckt, und wird einer (nicht gezeigten) Elektrode zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas, das nicht verwendet wird, wird in den Auslaß 5b für sauerstoffhaltiges Gas abgeleitet.

An der Separatorplatte 1 stehen die Vorsprünge 2, 3 an jeweils verschiedenen Seiten derselben hervor, wobei der Brennstoffgasdurchlaß 6 und der Durchlaß 7 für sauerstoffhaltiges Gas von den Vorsprüngen 2, 3, die voneinander unabhängig sind, definiert werden. Daher strömen das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige Gas tendenziell nicht gleichmäßig auf die Oberflächen 1a, 1b, wodurch Bereiche auf den Oberflächen 1a, 1b erzeugt werden, an denen das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffgasdurchlaß 6 und dem Durchlaß 7 für sauerstoffhaltiges Gas nicht in ausreichendem Maß zugeführt werden. Es ist somit schwierig, das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige Gas den Oberflächen der Elektroden gleichmäßig zuzuführen, wobei das erzeugte Wasser von den Vorsprüngen 3 und dergleichen festgehalten und dort verbleiben kann und nicht gleichmäßig abgeleitet werden kann.

Zwischen den Vorsprüngen der Separatorplatte 1 können Kühlmitteldurchlässe definiert sein. Wenn es Bereiche gibt, in denen das Kühlmittel nicht gleichmäßig durch die Kühlmitteldurchlässe fließt, werden die Elektroden nicht ausreichend gekühlt, was in einer höheren Temperatur und einer geringeren Feuchtigkeit resultiert, was zu einer erhöhten Widerstandsüberspannung führt.

Wenn die Elektroden nicht ausreichend gekühlt werden, wird die Verteilung der auf der Erzeugungsoberfläche der Brennstoffzelle 3 erzeugten elektrischen Energie leicht unregelmäßig und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle sinkt tendenziell aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Ionenaustauschmembran ab. Wenn eine erhöhte Kühlmittelmenge zugeführt wird, um die obige Leistungsreduktion zu verhindern, leidet das gesamte Brennstoffzellensystem unter einem Absinken des Wirkungsgrades und einer Erhöhung des Druckverlustes.

Ferner ist ein weiterer Brennstoffzellenseparator bekannt, wie z. B. in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-182631 offenbart ist. Der offenbarte Separator ist aus einem gasundurchlässigen dichten Kohlenstoff gefertigt und weist mehrere Ausbuchtungen auf seinen beiden Oberflächen auf, die Reaktionsgasdurchlässe definieren. Die Reaktionsgasdurchlässe weisen gebogene Abschnitte mit kanalförmigen gebogenen Rippen auf, die mehrere gleichmäßig beabstandete fluten definieren, um den Reaktionsgasen zu erlauben, gleichmäßig längs der gebogenen Abschnitte zu strömen.

Da jedoch der Separator aus einem dichten Kohlenstoff gefertigt ist, weist er eine geringe Zähigkeit auf, ist weniger widerstandsfähig gegen Schwingungsbrüche und weist eine beträchtlich große Dicke auf. Brennstoffzellen, die den offenbarten Separator enthalten, können daher in ihrer Gesamtgröße und in ihrem Gewicht nicht reduziert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die Fluide, wie z. B. Reaktionsgase, gleichmäßig und regelmäßig längs der Oberflächen der Separatoren zuführen kann und eine gute Stromerzeugungsfähigkeit mit einer kleinen und einfachen Anordnung erreichen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffzelle ein Paar Separatoren in Form dünner Metallplatten auf. Wenigstens einer der Separatoren weist einen Reaktionsgasdurchlaß mit mehreren Vorsprüngen, die von einer Elektrode hervorstehen, und Führungsrippen, die durch Verbinden von zwei oder mehr der Vorsprünge geschaffen werden, auf. Die Vorsprünge können erhabene oder eingedrückte Körper sein.

Der Reaktionsgasdurchlaß ist fähig, ein Reaktionsgas, wenn es durch die Vorsprünge und die Führungsrippen geführt wird, gleichmäßig zuzuführen und somit das Reaktionsgas zur Oberfläche der Elektrode zu leiten. Das Reaktionsgas kann somit der Elektrodenoberfläche in ausreichendem Maß zugeführt werden, wobei die Fähigkeit der Brennstoffzelle zum Ableiten des erzeugten Wassers vor einer Beeinträchtigung durch eine Strömungsstörung des Reaktionsgases, die andernfalls hervorgerufen würde, bewahrt wird.

Einer der Separatoren weist einen Kühlmitteldurchlaß zum Zuführen eines Kühlmittels zum Kühlen einer Elektrolytelektrodenanordnung auf. Der Kühlmitteldurchlaß weist mehrere Vorsprünge und Führungsrippen, die durch Verbinden von zwei oder mehr der Vorsprünge geschaffen werden, auf. Der Kühlmitteldurchlaß kann das Kühlmittel gleichmäßig längs der Elektrodenoberfläche für eine ausreichende Kühlung der Brennstoffzelle und für eine erhöhte Stromerzeugungsfähigkeit leiten.

Die obigen und weitere Aufgabe, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand eines Erläuterungsbeispiels gezeigt sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels, der eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält;
Fig. 2 ist eine Teilquerschnittsansicht der Brennstoffzelle;
Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines ersten Separators der Brennstoffzelle;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht einer Oberfläche eines zweiten Separators der Brennstoffzelle;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie V-V der Fig. 4;
Fig. 6 ist eine perspektivische Teilansicht des zweiten Separators;
Fig. 7 ist eine Vorderansicht eines herkömmlichen Separators, die für einen Vergleich mit dem ersten Separator gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
Fig. 8 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 ist eine Vorderansicht eines Separators einer Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Brennstoffzelle gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 16 ist eine Vorderansicht eines herkömmlichen Separators.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Explosionsansicht einen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels 1, der eine Brennstoffzelle (Einheitszelle) 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, während Fig. 2 die Brennstoffzelle 10 in einer Teilquerschnittsansicht zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt der Brennstoffzellenstapel 12 mehrere Brennstoffzeilen 10, die in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung gestapelt sind. Jede der Brennstoffzellen 10 umfaßt eine Membranelektrodenanordnung (Elektrolytelektrodenanordnung) 14 und erste und zweite Separatoren 16, 18, die dazwischen die Membranelektrodenanordnung 14 sandwich-artig aufnehmen. Jeder der ersten und zweiten Separatoren 16, 18 umfaßt eine dünne Metallplatte.
Die Membranelektrodenanordnung 14 und die ersten und zweiten Separatoren 16, 18 sind jeweils versehen mit in einem longitudinalen Ende derselben (in der durch den Pfeil B gezeigten Richtung) definierten jeweiligen Kühlmittelauslässe 20b, die miteinander in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung in Verbindung stehen, zum Ableiten eines Kühlmittels, jeweiligen Einlässen 22a für sauerstoffhaltiges Gas, die miteinander in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung in Verbindung stehen, zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases wie z. B. eines Sauerstoff enthaltenden Gases, und jeweiligen Brennstoffgasauslässen 24b, die in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung miteinander in Verbindung stehen, zum Ableiten eines Brennstoffgases wie z. B. eines wasserstoffhaltigen Gases.
Die Membranelektrodenanordnung 14 und die erster und zweiten Separatoren 16, 18 weisen ferner in einem entgegengesetzten longitudinalen Ende derselben definiert jeweilige Brennstoffgaseinlässe 24a, die in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung miteinander in Verbindung stehen, zum Zuführen des Brennstoffgases, jeweilige Auslässe 22b für sauerstoffhaltiges Gas, die in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung miteinander in Verbindung stehen, zum Ableiten des sauerstoffhaltigen Gases, und jeweilige Kühlmitteleinlässe 20a, die in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung miteinander in Verbindung stehen, zum Zuführen des Kühlmittels auf.
Die Membranelektrodenanordnung 14 umfaßt eine Festkörper-Polymer- Ionenaustauschmembran (Elektrolyt) 26 in Form eines dünnen Films von Perfluor-Sulfonsäure, die mit Wasser imprägniert ist, und eine Anode 28 und eine Katode 30, die dazwischen die Festkörper-Polymer-Ionenaustauschmembran 26 sandwich-artig aufnehmen.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weisen die Anode 28 und die Katode 30 jeweilige Gasdiffusionsschichten 32a, 32b auf, die aus Kohlepapier oder dergleichen gefertigt sind, sowie jeweilige Elektrodenkatalysatorschichten 34a, 34b, die poröse Kohlenstoffpartikel enthalten, die auf ihren Oberflächen eine Platinlegierung tragen und gleichmäßig auf den Oberflächen der Gasdiffusionsschichten 32a, 32b aufgebracht sind. Die Elektrodenkatalysatorschichten 34a, 34b sind mit den jeweiligen entgegengesetzten Oberflächen der Festkörper-Polymer-Ionenaustauschmembran 26 verL unden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist der erste Separator 16 einen Brennstoffgasdurchlaß (Reaktionsgasdurchlaß) 36 auf, der auf einer Oberfläche 16a desselben definiert ist, die der Membranelektrodenanordnung 14 zugewandt ist. Der Brennstoffgasdurchlaß 36 steht mit dem Brennstoffgaseinlaß 24a und dem Brennstoffgasauslaß 24b in Verbindung.
Der zweite Separator 18 weist einen Durchlaß für sauerstoffhaltiges Gas (Reaktionsgasdurchlaß) 38 auf, der auf einer Oberfläche 18a desselben definiert ist, die der Membranelektrodenanordnung 14 zugewandt ist, und der mit dem Einlaß 22a für sauerstoffhaltiges Gas und dem Auslaß 22b für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung steht. Der zweite Separator 18 enthält ferner einen Kühlmitteldurchlaß 40, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 18b definiert ist und mit dem Kühlmitteleinlaß 20a und dem Kühlmittelauslaß 20b in Verbindung steht.
Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, weist der erste Separator 16 mehrere Vorsprünge 41, z. B. erhabene Körper, auf, die von wenigstens der Oberfläche 16a hervorstehen. Zwei oder mehr erhabene Körper 41 sind miteinander zu Paaren von Führungsrippen 42a, 42b, 42c verbunden, um das Brennstoffgas gleichmäßig in die Membranelektrodenanordnung 14 zu leiten. Die erhabenen Körper 41 und die Führungsrippen 42a, 42b, 42c definieren gemeinsam den Brennstoffgasdurchlaß 36.
Die Führungsrippen 42a sind zu einer im wesentlichen L-förmigen Struktur gebogen und in oberen und unteren Bereichen innerhalb der Oberfläche 16a längs der äußeren Umfangskanten der Elektrodenoberfläche (Erzeugungsoberfläche) angeordnet, wo das Brennstoffgas weniger wahrscheinlich gleichmäßig strömt. Die Führungsrippen 42b sind innerhalb der Führungsrippen 42a angeordnet und in eine im wesentlichen L-förmige Struktur gebogen. Die Führungsrippen 42c sind innerhalb der Führungsrippen 42b angeordnet und zu einer im wesentlichen L-förmigen Struktur gebogen. Die Führungsrippen 42a, 42b, 42c weisen horizontale Abschnitte auf, die in der genannten Reihenfolge zunehmend kürzer sind.
Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, weist der zweite Separator 18 mehrere erhabene Körper 44a, 44b auf, die abwechselnd von dessen Oberflächen 18a, 18b hervorstehen. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind zwei oder mehr erhabene Körper 44a auf der Oberfläche 18a des zweiten Separators 18 miteinander zu Paaren von Führungsrippen 46a, 46b, 46c, 46d verbunden. Die erhabenen Körper 44a und die Führungsrippen 46a, 46b, 46c, 46d definieren gemeinsam den Durchlaß 38 für sauerstoffhaltiges Gas.
Die Führungsrippen 46a weisen Abschnitte, die sich horizontal in Richtung zum Einlaß 22a für sauerstoffhaltiges Gas und zum Auslaß 22b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken, Abschnitte die sich vertikal erstrecken, und Abschnitte, die sich horizontal längs der äußeren Umfangskanten der Erzeugungsoberfläche erstrecken, auf.
Die Führungsrippen 46b sind innerhalb der Führungsrippen 46a angeordnet und weisen eine den Führungsrippen 46a ähnliche Form auf. Die Führungsrippen 46c, 46d, die eine gerade Form aufweisen sind auf horizontalen Verlängerungen der entgegengesetzten Enden der Führungsrippen 46b angeordnet. Anders ausgedrückt, die Führungsrippen 46c, 46d sind von den Führungsrippen 46b getrennt.
Zwei oder mehr erhabene Körper 46a auf der Oberfläche 18b des zweiten Separators 18 sind zu Paaren von Führungsrippen 48a, 48b, 48c miteinander verbunden. Die erhabenen Körper 44b und die Führungsrippen 48a, 48b, 48c definieren gemeinsam den Kühlmitteldurchlaß 40. De Führungsrippen 48a, 48b, 48c sind in ihrer Struktur den Führungsrippen 42a, 42b, 42c (siehe Fig. 3) des ersten Separators 16 ähnlich und werden im folgenden nicht genauer beschrieben.
Auf dem zweiten Separator 18 sind in den Bereichen, in denen die Rippen auf seinen beiden Oberflächen, d. h. die Führungsrippen 46a, 46b, 46c, 46d auf der Oberfläche 18a und die Führungsrippen 48a, 48b, 48c auf der Oberfläche 18b, einander überlappen, diejenigen Rippen, die eine bevorzugte Kontrolle über eine Fluidströmung aufweisen, durchgehend, während diejenigen, die diese nicht aufweisen, unterbrochen sind. Genauer, wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Führungsrippen 48b des Kühlmitteldurchlasses 40 durchgehend, während die Führungsrippen 46b des Durchlasses 38 für sauerstoffhaltiges Gas unterbrochen (nicht durchgehend) sind, wobei die Führungsrippen 46d beabstandet zu den Führungsrippen 46b vorgesehen sind.
Im folgenden wird die Operation der so konstruierten Brennstoffzelle 10 beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird dem Brennstoffzellenstapel 12 ein Brennstoffgas wie z. B. ein wasserstoffhaltiges Gas oder derg eichen, ein sauerstoffhaltiges Gas wie z. B. Luft, und ein Kühlmittel, wie z. B. reines Wasser, Ethylenglykol, Öl oder dergleichen, zugeführt. Das Brennstoffgas, das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel werden sukzessive den Brennstoffzellen 10 zugeführt, die in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung im Brennstoffzellenstapel 12 gestapelt sind.
Das sauerstoffhaltige Gas, das den Einlässen 22a für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, die miteinander in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung in Verbindung stehen, wird in den Durchlaß 38 für sauerstoffhaltiges Gas auf dem zweiten Separator 18 geleitet und bewegt sich längs der Katode 30 der Membranelektrodenanordnung 14, wie in den Fig. 1 und 4 gezeigt ist. Das Brennstoffgas wird von den Brennstoffgaseinlässen 24a in den Brennstoffgasdurchlaß 36 auf dem ersten Separator 16 geleitet und bewegt sich längs der Anode 28 der Membranelektrodenanordnung 14, wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist.
In der Membranelektrodenanordnung 14 werden somit das der Katode 30 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 28 zugeführte Brennstoffgas durch eine elektrochemische Reaktion in den Elektrodenkatalysatorschichten 34b, 34a verbraucht, wodurch elektrische Energie erzeugt wird (siehe Fig. 2).
Das der Anode 28 zugeführte und verbrauchte Brennstoffgas wird in die Brennstoffgasauslässe 24b (siehe Fig. 3) abgeleitet. In ähnlicher Weise wird das der Katode 30 zugeführte und verbrauchte sauerstoffhaltige Gas in die Auslässe 22b für sauerstoffhaltiges Gas (siehe Fig. 4) abgeleitet.
Das den Kühlmitteleinlässen 20a zugeführte Kühlmittel wird in den Kühlmitteldurchlaß 40 auf dem zweiten Separator 18 geleitet. Das Kühlmittel kühlt die Membranelektrodenanordnung 14 und wird anschließend in die Kühlmittelauslässe 20b (siehe Fig. 1) abgeleitet.
In der ersten Ausführungsform, wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist der Durchlaß 38 für sauerstoffhaltiges Gas auf der Oberfläche 16a des ersten Separators 16 erhabene Körper 41 und Führungsrippen 42a, 42b, 42c, die durch zwei oder mehr miteinander verbundene erhabene Körper 41 definiert werden, auf.
Die Führungsrippen 42a, 42b, 42c sind in denjenigen Bereichen vorgesehen, in denen das Brennstoffgas weniger leicht gleichmäßig strömt. Das Brennstoffgas wird somit gleichmäßig längs des Brennstoffgasdurchlasses 36 in die Elektrodenoberfläche geleitet. Somit wird das Brennstoffgas der Elektrodenoberfläche in ausreichendem Maß zugeführt, wobei die Fähigkeit der Brennstoffzelle, das erzeugte Wasser abzuleiten, vor einer Beeinträchtigung durch eine Strömungsstörung des Brennstoffgases, die ansonsten hervorgerufen würde, bewahrt wird.
Genauer, wie in Figur gezeigt ist, wenn ein erster Separator 16' nur erhabene Körper 41 aufweist, sind dann, wenn das Brennsloffgas vom Brennstoffgaseinlaß 24a in den Brennstoffgasdurchlaß 36' zugeführt wird, tendenziell Bereiche Sa, Sb, im Brennstoffgasdurchlaß 36' vorhanden, wo das Brennstoffgas weniger leicht strömt. Somit wird das Brenn stoffgas den Bereichen Sa, Sb nicht im ausreichenden Maß zugeführt, weshalb es der Membranelektrodenanordnung 14 nicht gleichmäßig und einheitlich zugeführt wird. Als Ergebnis wird die Stromerzeugungsfähigkeit gesenkt, wobei das erzeugte Wasser tendenziell in den Bereichen Sa, Sb verharrt.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffgas gleichmäßig verteilt und bewegt sich im gesamten Brennstoffgasdurchlaß 36, und wird somit der gesamten Elektrodenoberfläche in ausreichendem Maß zugeführt. Daher ist die Stromerzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle 10 erhöht, wobei der Druckverlust effektiv reduziert wird.
Das Kühlmittel wird ebenfalls vom Kühlmitteleinlaß 20a dem Kühlmitteldurchlaß 40 gleichmäßig zugeführt und wird vom Kühlmitteldurchlaß 40 gleichmäßig zu den Kühlmittelauslässen 20b abgeleitet. Die Wärme, die erzeugt wird, während die Brennstoffzelle 10 elektrische Energie erzeugt, wird somit in ausreichendem Maß abgeführt, wobei Effektiv verhindert wird, daß die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 10 aufgrund eines Temperaturanstiegs verringert wird, und wobei die Widerstandsüberspannung der Brennstoffzelle 10 nicht erhöht wird. Die Verteilung der in c er Erzeugungsoberfläche der Brennstoffzelle 10 erzeugten elektrischen Energie wird davor bewahrt, unregelmäßig zu werden, wobei die Haltbarkeit der Brennstoffzelle 10 davor bewahrt wird, aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Feststoff- Ionenaustauschmembran 10 gesenkt zu werden. Die Brennstoffzelle 10 weist somit eine effiziente Kühlfähigkeit auf.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Führungsrippen 48b des Kühlmitteldurchlasses 40 durchgehend, während die Führungsrippen 46b des Durchlasses 38 für sauerstoffhaltiges Gas unterbrochen sind und c ie Führungsrippen 46d beabstandet zu den Führungsrippen 46b vorgesehen sind. Folglich unterliegen die Durchlaßkonfigurationen auf den vorderen und hinteren Seiten des Separators keinen Einschränkungen, im Gegensatz zu den Durchlässen, die mittels gerippter Platten geschaffen werden, wobei der Durchlaß 38 für sauerstoffhaltiges Gas und der Kühlmitteldurchlaß 40 unabhängig voneinander vorgesehen sein können. Als Ergebnis weist die Brennstoffzelle 10 einen hohen Grad an Gestaltungsfreiheit auf.
In der ersten Ausführungsform sind die erhabenen Körper 41, 44a, 44b als erhabene Vorsprünge auf den ersten und zweiten Separatoren 16, 18 vorgesehen. Es können jedoch eingedrückte Körper auf den Separatoren vorgesehen sein. Diese Modifikation ist auch auf andere Ausführungsformen anwendbar, die im folgenden beschrieben werden.
Fig. 8 zeigt in einer Vorderansicht einen Separator 60 einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diejenigen Teile der in Fig. 8 gezeigten Brennstoffzelle, die mit denjenigen der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzelle 10 identisch sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und werden im folgenden nicht genauer beschrieben. Diejenigen Teile der Brennstoffzellen gemäß den später beschriebenen dritten bis neunten Ausführungsformen, die mit denjenigen der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzelle 10 identisch sind, sind ebenfalls mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und werden im folgenden nicht genauer beschrieben.
In Fig. 8 weist der Separator 60 einen Kühlmitteldurchlaß 62, der auf einer Oberfläche 60a desselben definiert ist, und einen Brennstoffgasdurchlaß 64 auf, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 601 desselben definiert ist.
Der Kühlmitteldurchlaß 62 weist mehrere erhabene Körper 66, die von der Oberfläche 60a hervorstehen, und Paare von Führungsrippen 68a, 68b, 68c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 66 geschaffen werden. Die Führungsrippen 68a, 68b, 68c sind insgesamt im wesentlichen L-förmig, sind jeweils in drei oder zwei Segmente unterteilt, und sind in Bereichen vorgesehen, in denen das Kühlmittel weniger leicht strömt.
Der Brennstoffgasdurchlaß 64 weist mehrere erhabene Körper 70 auf, die von der Oberfläche 60b hervorstehen, und Paare von Führungsrippen 72, 72b, 72c, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 70 geschaffen werden. Die Führungsrippen 72a, 72b, 72c sind im wesentlichen L-förmig und sind an Positionen zum Führen eines von einem Brennstoffgaseinlaß 24a zugeführten Brennstoffgases gleichmäßig zur gesamten Elektrodenoberfläche und zum Ableiten des Brennstoffgases in den Brennstoffgasauslaß 24b vorgesehen.
Fig. 9 zeigt in einer Vorderansicht einen Separator 80 einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, weist der Separator 80 einen Kühlmittelauslaß 20b und einen Einlaß 22a für sauerstoffhaltiges Gas auf, die in einem longitudinalen Ende desselben definiert sind, sowie einen Brennstoffgaseinlaß 24a und einen Kühlmittelauslaß 20a, die in einem entgegengesetzten longitudinalen Ende desselben definiert sind. Der Separator 80 weist ferner einen Auslaß 22b für sauerstoffhaltiges Gas und einen Brennstoffgasauslaß 24b auf, die in einer Unterkante desselben definiert sind. Der Separator 80 weist ferner einen Durchlaß 82 für sauerstoffhaltiges Gas, der auf einer Oberfläche 80a desselben definiert ist, und einen Kühlmitteldurchlaß 84 auf, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 80b desselben definiert ist.
Der Durchlaß 82 für sauerstoffhaltiges Gas weist mehrere erhabene Körper 88, die von der Oberfläche 80a hervorstehen, sowie Führungsrippen 90a, 90b, 90c, 90d, 90e auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabener Körper 88 geschaffen werden. Die Führungsrippen 90a bis 90e weisen jeweils vorgegebene Formen auf und dienen zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases vom Einlaß 22a für sauerstoffhaltiges Gas gleichmäßig zum Auslaß 22b für sauerstoffhaltiges Gas.
Der Kühlmitteldurchlaß 84 weist mehrere erhabene Körper 92, die von der Oberfläche 80b hervorstehen, und Führungsrippen 94a, 94b, 94c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 892 geschaffen werden. Die Führungsrippen 94a, 94b, 94c sind im wesentlichen L-förmig.
Fig. 10 zeigt eine Vorderansicht eines Separators 100 einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, weist der Separator 100 einen Durchlaß 102 für sauerstoffhaltiges Gas, der auf einer Oberfläche 100a desselben definiert ist, sowie einen Brennstoffgasdurchlaß 104 auf, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 100b desselben definiert ist. Der Durchlaß 102 für sauerstoffhaltiges Gas weist mehrere erhabene Körper 106, die von der Oberfläche 100a vorstehen, sowie Führungsrippen 108a, 108b, 108c, 108d auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 106 geschaffen werden. Die Führungsrippen 108a bis 108d sind unterbrochen.
Der Brennstoffgasdurchlaß 104 weist mehrere erhabene Körper 110 auf, die von der Oberfläche 100b hervorstehen, sowie Führungsrippen 112a, 112b, 112c, 112d, 112e, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 110 geschaffen werden. Die Führungsrippen 112a bis 112e sind im wesentlichen L-förmig.
Fig. 11 zeigt in einer Vorderansicht einen Separator 120 einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 11 weist der Separator 120 einen Brennstoffgasdurchlaß 122 auf, der auf einer Oberfläche 120a desselben definiert ist, sowie einen Kühlmitteldurchlaß 124, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 120b desselben definiert ist. Der Brennstoffgasdurchlaß 122 weist mehrere erhabene Körper 126, die von der Oberfläche 120a hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen 128a, 128b, 128c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 126 geschaffen werden. Die Führungsrippen 128a bis 128c sind im wesentlichen L-förmig.
Der Kühlmitteldurchlaß 124 weist mehrere erhabene Körper 130, die von der Oberfläche 120b hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen 132a, 132b, 132c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 130 geschaffen werden. Die Führungsrippen 132a bis 132c sind im wesentlichen L-förmig. Die Führungsrippen 128a bis 128c und die Führungsrippen 132a bis 132c sind an symmetrischen Positionen auf dem Separator 120 angeordnet.
Fig. 12 zeigt in einer Vorderansicht einen Separator 140 einer Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, weist der Separator 140 einen Durchlaß 142 für sauerstoffhaltiges Gas, der auf einer Oberfläche 140a desselben definiert ist, sowie einen Kühlmitteldurchlaß 144 auf, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 140b desselben definiert ist. Der Durchlaß 142 für sauerstoffhaltiges Gas weist mehrere erhabene Körper 146, die von der Oberfläche 140a hervorstehen, sowie Führungsrippen 148a, 148b, 148c, 148d, 148e auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 146 geschaffen werden. Die Führungsrippen 148a bis 148e sind im wesentlichen L-förmig.
Der Kühlmitteldurchlaß 144 weist mehrere erhabene Körper 150, die von der Oberfläche 140b hervorstehen, sowie mehrere, z. B. sieben, vertikale Führungsrippen 152 auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 150 geschaffen werden. Die Führungsrippen 152 weisen Abschnitte auf, die mit den Führungsrippen 148a bis 148e überlappen.
Fig. 13 zeigt in einer Vorderansicht einen Separator 160 einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 13 gezeigt ist, weist der Separator 160 einen Durchlaß 162 für sauerstoffhaltiges Gas, der auf einer Oberfläche 160a desselben definiert ist, und einen Brennstoffgasdurchlaß 164 auf, der auf einer entgegengesetzten Oberfläche 160b desselben definiert ist. Der Durchlaß 162 für sauerstoffhaltiges Gas weist mehrere erhabene Körper 166, die von der Oberfläche 160a hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen 168a, 168b, 168c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 166 geschaffen werden.
Der Brennstoffgasdurchlaß 164 weist mehrere erhabene Körper 170, die von der Oberfläche 160b hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen 172a, 172b, 172c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 170 geschaffen werden. Die Führungsrippen 168a 168b, 168c und die Führungsrippen 172a, 172b, 172c sind im wesentlichen L-förmig und an diagonal entgegengesetzten Positionen auf dem Separator 160 angeordnet.
Fig. 14 zeigt in einer Vorderansicht einen Separator 180 einer Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 14 gezeigt ist, weist der Separator 18U einen Brennstoffgasdurchlaß 182 auf, der auf einer Oberfläche 180a desselben definiert ist. Der Brennstoffgasdurchlaß 182 weist mehrere erhabene Körper 184, die von der Oberfläche 180a hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen 186a, 186b, 186c auf, die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern 184 geschaffen werden. Die Führungsrippen 186a bis 186c sind im wesentlichen L-förmig.
Fig. 15 zeigt in einer Teilquerschnittsansicht eine Brennstoffzelle 200 gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, weist die Brennstoffzelle 200 erste und zweite Separatoren 202, 204 auf. Der erste Separator 202 weist mehrere Vorsprünge 206a, 206b auf seinen entgegengesetzten Oberflächen auf, wobei der zweite Separator 204 mehrere Vorsprünge 208a, 209b auf seinen entgegengesetzten Oberflächen aufweist. Der erste Separator 202 weist einen Brennstoffgasdurchlaß 36 auf, der auf derjenigen Oberfläche definiert ist, auf der die Vorsprünge 206a hervorstehen, während der zweite Separator 204 einen Durchlaß 38 für sauerstoffhaltiges Gas aufweist, der auf derjenigen oberfläche definiert ist, auf der die Vorsprünge 208a hervorstehen.
Bei der Brennstoffzelle 200 kann die Dicke der ersten und zweiten Separatoren 202, 204 reduziert sein, um zu ermöglichen, caß der Brennstoffgasdurchlaß 36 und der Durchlaß 38 für sauerstoffhaltiges Gas eine erhöhte Querschnittsdurchlaßfläche aufweisen.
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Paar Metallplattenseparatoren auf, wobei wenigstens einer der Separatoren einen Reaktionsgasdurchlaß mit mehreren Vorsprüngen und Führungsrippen, die durch Verbinden von zwei oder mehr Vorsprüngen geschaffen werden, aufweist. Der so konstruierte Reaktionsgasdurchlaß verhindert effektiv, daß ein Durchfließen des Reaktionsgases gestört wird, und führt das Reaktionsgas der Elektrodenoberfläche gleichmäßig zu. Somit kann das Reaktionsgas der Elektrodenoberfläche in ausreichendem Maß zugeführt werden, wobei die Fähigkeit der Brennstoffzelle, das erzeugte Wasser abzuleiten, vor einer Beeinträchtigung durch eine Strömungsstörung des Brennstoffgases, die andernfalls hervorgerufen würde, bewahrt wird. Somit weist die Brennstoffzelle eine sehr effiziente Funktion zum Erzeugen von elektrischer Energie auf.
Eine Brennstoffzelle (10) weist eine Membranelektrodenanordnung (14) und erste und zweite Metallplattenseparatoren (16, 28) auf. Der erste Metallplattenseparator (16) weist einen Brennstoffgasdurchlaß (36) auf, der auf einer Oberfläche (16a) desselben definiert ist. Der Brennstoffgasdurchlaß (36) weist mehrere erhabene Körper (41) auf, die von der Oberfläche (16a), die der Membranelektrodenanordnung (14) zugewandt ist, hervorstehen, sowie Paare von Führungsrippen (42a, 42b, 42c), die durch Verbinden von zwei oder mehr erhabenen Körpern (41) geschaffen werden.

Claims

1. Brennstoffzelle, umfassend:
eine Elektrolytelektrodenanordnung (14), die ein Elektrolyt (26) und Elektroden (28, 30), die jeweils einer der Seiten des Elektrolyts (26) angeordnet sind, umfaßt; und
ein Paar Metallplattenseparatoren (16, 28), die dazwischen die Elektrolytelektrodenanordnung (14) sandwich-artig aufnehmen; wobei
die Metallplattenseparatoren (16, 28) Reaktionsgasdurchlässe (36, 38) zum Zuführen eines Reaktionsgases, das wenigstens ein Brennstoffgas oder ein sauerstoffhaltiges Gas umfaßt, zu einer Elektrodenoberfläche einer der Elektroden (28, 30) der Elektrolytelektrodenanordnung (14) aufweisen; und
der Reaktionsgasdurchlaß (36) auf wenigstens einem der Separatoren (16) definiert ist und mehrere Vorsprünge (41), die von einer Oberfläche des Separators hervorstehen, welche einer der Elektroden (28) zugewandt ist, sowie eine Führungsrippe (42a) aufweist, die durch Verbinden von wenigstens zwei der Vorsprünge (41) geschaffen wirc, um das Reaktionsgas gleichmäßig zur Elektrodenoberfläche zu leiten.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Führungsrippe (42a) einen geraden Abschnitt enthält, der sich auf wenigstens einer Oberfläche des einen der Metallplattenseparatoren gerade erstreckt.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Führungsrippe (42a) im wesentlichen L-förmig ist und sich auf wenigstens einer Oberfläche des einen der Metallplattenseparatoren erstreckt.

4. Brennstoffzeile nach Anspruch 1, bei der die Führungsrippe (68a) im wesentlichen L-förmig ist und sich mit Unterbrechungen auf wenigstens einer Oberfläche des einen der Metallplattenseparatoren erstreckt.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der wenigstens der eine der Metallplattenseparatoren (18) aufweist:
einen Kühlmitteldurchlaß (40) zum Zuführen eines Kühlmittels zum Kühlen der Elektrolytelektrodenanordnung (14); wobei
der Kühlmitteldurchlaß (40) mehrere Vorsprünge (44b), die von einer Oberfläche des Separators hervorstehen, welche vom Reaktionsgasdurchlaß (38) abgewandt ist, sowie eine Führungsrippe (48a) aufweist, die durch Verbinden von wenigstens zwei der Vorsprünge (44b) geschaffen wird, um das Kühlmittel gleichmäßig längs der Elektrodenoberfläche zu führen.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, bei der die Führungsrippen (46b, 48b), die von beiden Oberflächen des einen der Separatoren (18) hervorstehen, eine Führungsrippe (48b), die in einem Bereich durchgehend ist, in welchem die Führungsrippen (46b, 48b) einander überlappen, und eine Führungsrippe (46b), die in diesem Bereich nicht durchgehend ist, enthalten.