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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und
eine Trenneinrichtung dafür.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Polymer-Elektrolyt-Brennzelle
und eine Trenneinrichtung dafür.
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2. Beschreibung des zugehörigen Stands
der Technik
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Eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
ist durch Laminieren von Modulen aufgebaut. Jedes der Module wird
durch Übereinanderlegen
von einer oder mehreren Zellen erhalten, von denen jede aus einer Membran-Elektroden-Baugruppe
(MEA) und einer Trenneinrichtung besteht.
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Die MEA ist aus einer Elektrolytmembran, die
aus einer Ionenaustauschmembran besteht, einer Elektrode (Anode)
die aus einer katalytischen Schicht besteht, die an einer Seite
der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einer Elektrode (Kathode)
zusammengesetzt, die aus einer katalytischen Schicht besteht, die
an der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist. Im Allgemeinen
ist eine Diffusionsschicht zwischen der MEA und der Trenneinrichtung
vorgesehen. Diese Diffusionsschicht ist geeignet, um die Diffusion
von Reaktionsgasen in die katalytischen Schichten voranzutreiben.
Ein Brennstoffgasströmungskanal
zum Zuführen
von Brennstoffgas (Wasserstoff) zu der Anode und ein Oxidationsgasströmungskanal
zum Zuführen
von Oxidationsgas (Sauerstoff, üblicherweise
Luft) zu der Kathode sind an der Trenneinrichtung ausgebildet. Die Trenneinrichtung
bildet einen Durchgang von Elektronen, die sich zwischen angrenzenden
von den Zellen bewegen.
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An beiden Enden eines laminierten
Zellenkörpers
in der Richtung, in die die Zellen laminiert sind, sind ein Anschluß (Elektrodenplatte),
ein Isolator und eine Endplatte angeordnet. Der laminierte Zellenkörper ist
in die Richtung, in die die Zellen laminiert sind, gehalten bzw.
geklemmt. Der laminierte Zellenkörper
ist an seiner Außenseite
mittels Schrauben und eines Befestigungselements (beispielsweise eine
Spannplatte), die sich in die Richtung erstreckt, in die die Zellen
laminiert sind, fixiert, wodurch ein Stapel bzw. ein Stack ausgebildet
wird.
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An der Anodenseite der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
tritt eine Reaktion zum Umwandeln eines Wasserstoffmoleküls in zwei
Wasserstoffionen (Protonen) und zwei Elektronen auf. Die Wasserstoffionen
bewegen sich in Richtung auf die Kathodenseite bei der Elektrolytmembran.
An der Kathodenseite tritt eine Reaktion zum Erzeugen von zwei Wassermolekülen aus
vier Wasserstoffionen, vier Elektronen und einem Sauerstoffmolekül auf (die Elektronen,
die an der Anode an der angrenzenden von den MEAs erzeugt werden,
bewegen sich durch die Trenneinrichtung oder die Elektronen, die
an der Anode der Zelle an einem Ende des laminierten Zellenkörpers erzeugt
werden, erreichen die Kathode der Zelle an dem anderen Ende des
laminierten Zellenkörpers
durch einen externen Schaltkreis). Anodenseite:
H2 →2H+ + 2e– Kathodenseite
: 2H+ + 2e– +
(1/2) O2→H2O
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Zum Bewirken der vorstehend genannten Reaktionen
wird Brennstoffgas und Sauerstoffgas dem Stapel zugeführt oder
von diesem ausgestoßen. Für die Bewegung
der Protonen durch die Elektrolytmembran ist es erforderlich, dass
die Elektrolytmembran feucht ist. Im Hinblick auf das Erhalten eines
geeigneten feuchten Zustands der Elektrolytmembran wird zumindest
eines von dem Brennstoffgas und von dem Oxidationsgas befeuchtet
und dem Stapel zugeführt.
Wenn jedoch der Stapel übermäßig befeuchtet wird,
tritt eine Überschwemmung
bzw. Flutung an dem stromabwärtigen
Abschnitt eines Oxidatinsgasströmungskanals
auf, bei dem es insbesondere wahrscheinlich ist, dass er aufgrund
des erzeugten Wassers übermäßig befeuchtet
wird. Das verursacht eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit
der Zelle. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Maßnahme für den Ablauf
zu ergreifen.
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr.
7-263003 offenbart eine Brennstoffzelle
mit einer Trenneinrichtung, bei der eine Vielzahl von S-förmigen Gasströmungskanälen an einer
Trenneinrichtungsseite parallel und unabhängig voneinander ausgebildet
sind. Durch die Krümmung
in die Gestalt von einem "S" sind die Strömungskanäle keine
geradlinigen Gasströmungskanäle mehr.
Somit wird die Durchflussrate des Gases erhöht und das Eindringen des Gases
in die Fusionsschicht vorangetrieben. Ebenso verbleibt das Gas in
den Gasströmungskanälen über eine
lange Zeit. Das ist vorteilhaft beim Befeuchten der Elektrolytmembran
an der stromaufwärtigen
Seite der Gasströmungskanäle.
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Jedoch hat eine Brennstoffzellentrenneinrichtung
mit S-förmigen
Gasströmungskanälen die folgenden
Nachteile.
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- A: Da Gas für
die Reaktionen zum Erzeugen von Leistung verbraucht wird, verringert
sich die Gasdurchflussrate, wenn die Entfernung von den stromabwärtigen Abschnitten
der Gasströmungskanäle sich
verringert. Bei den stromabwärtigen Abschnitten
des S-förmigen
Gasströmungskanals mit
einer großen
Länge ergeben
sich daher eine Verschlechterung des Eindringens der Feuchtigkeit
in eine Diffusionsschicht, eine Verschlechterung der Ableitungsleistungsfähigkeit
und des Auftretens einer Flutung als Probleme trotz des Vorteils
dieser Anordnung, die vorstehend erwähnt ist.
- B: Ein Mittelabschnitt von jedem der S-förmigen Gasströmungskanäle ist angrenzend
an einen Einlassabschnitt des Strömungskanals gelegen. Daher
bringt eine Verschlechterung der Ableitungsleistungsfähigkeit
an den stromabwärtigen Abschnitten
der Gasströmungskanäle eine
Verschlechterung der Ableitungsleistungsfähigkeit des gesamten Trenneinrichtungsbereichs
mit sich.
- C: In der Richtung senkrecht zu den Gasströmungskanälen ist der stromaufwärtige Abschnitt eines
bestimmten Strömungskanals,
sein stromabwärtiger
Abschnitt, der stromaufwärtige
Abschnitt eines anderen Strömungskanals,
sein stromabwärtiger
Abschnitt usw. in dieser Reihenfolge gelegen. Somit werden diejenigen
Bereiche mit hohen Gaskonzentrationen und diejenigen Bereiche mit
niedrigen Gaskonzentrationen abwechselnd angeordnet. Das verursacht
eine Ungleichmäßigkeit
in der Verteilung der Gaskonzentrationen und führt zu einer Verschlechterung
der Leistungserzeugungsfähigkeit.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine Brennstoffzellentrenneinrichtung zu schaffen, die in der Lage
ist, die Ablauffähigkeit
bzw. Ablaufleistungsfähigkeit
eines stromabwärtigen
Abschnitts eines Gasströmungskanals
zu verbessern, die Ablauffähigkeit
eines gesamten Trenneinrichtungsbereichs zu verbessern und die Ungleichmäßigkeit
der Verteilung von Gaskonzentrationen zu verbessern. Es ist ebenso
die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die
mit einer solchen Trenneinrichtung ausgestattet ist.
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Ein erster Gesichtspunkt der Erfindung
bezieht sich auf eine Brennstoffzellentrenneinrichtung. Bei dieser
Trenneinrichtung ist ein Gasströmungskanal,
bei dem ein "umgekehrt
S-förmiger" Gasströmungskanal
und ein S-förmiger
Gasströmungskanal symmetrisch
zueinander angeordnet sind und an ihren stromabwärtigen Abschnitten derart zusammenlaufen,
um Gasströmungskanalabschnitte
gemeinsam zu haben, an einer Trenneinrichtungsseite der Brennstoffzellentrenneinrichtung
angeordnet.
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Es ist vorzuziehen, dass die Querschnittsfläche der
gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte
kleiner als die Summe von Querschnittsflächen von nicht gemeinsamen
Gasströmungskanalabschnitten
ist, die stromaufwärts
von einem zusammenfließenden
Abschnitt gelegen sind.
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Bei der vorstehend genannten Brennstoffzellentrenneinrichtung
laufen der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal
und der S-förmige
Gasströmungskanal
an ihren stromabwärtigen
Abschnitt derart zusammen, so dass sie die Gasströmungskanalabschnitte
gemeinsam haben. Daher wird die Durchflussrate stromabwärts von
dem zusammenfließenden
Abschnitt im Vergleich mit einem Fall erhöht, bei dem der „umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal und
der S-förmige
Gasströmungskanal
nicht zusammenlaufen.
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Als Folge wird die Menge von Feuchtigkeit, die
in eine Diffusionsschicht eindringt, an den stromabwärtigen Abschnitten
erhöht.
Die Wirkung des Ausblasens von Feuchtigkeit wird ebenso verbessert und
die Ablauffähigkeit
wird verbessert. Aufgrund der Verbesserung der Ablauffähigkeit
wird das Auftreten einer Flutung beschränkt.
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Es ist vorzuziehen, dass der zusammenfließende Abschnitt
angrenzend an den Einlassabschnitt liegt, der zu dem Strömungskanal
führt.
Für diesen
Fall wird auch dann, wenn der Bereich in der Umgebung des Einlassabschnitts übermäßig feucht wird,
das Ablaufen der Feuchtigkeit, die in dem übermäßig feuchten Bereich enthalten
ist, durch den zusammenfließenden
Gasströmungskanal
mit einer erhöhten
Durchflussrate vorangetrieben. Es ist somit möglich, zu verhindern, dass
der gesamte Trenneinrichtungsbereich sich hinsichtlich der Ablauffähigkeit verschlechtert.
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In der Richtung senkrecht zu dem
Gasströmungskanal
sind der stromaufwärtige
Abschnitt, der zusammenfließende
stromabwärtige
Abschnitt und der stromaufwärtige
Abschnitt in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Gaskonzentration
an dem zusammenfließenden
stromabwärtigen
Abschnitt wird im Vergleich mit dem Fall der Trenneinrichtung erhöht, die
in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-263003 offenbart
ist. Daher wird die Gaskonzentration in der Richtung senkrecht zu
dem Gasströmungskanal
homogenisiert und wird die Leistungserzeugungsfähigkeit verbessert.
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Die vorstehend genannte Anordnung
ist ungeachtet dessen möglich,
ob die Gasströmungskanäle nur aus
Oxidationsgasströmungskanälen, nur aus
Brennstoffgasströmungskanälen oder
sowohl Oxidationsgasströmungskanälen als
auch aus Brennstoffgasströmungskanälen bestehen.
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Es ist anzumerken, dass eine Brennstoffzelle,
die mit der Trenneinrichtung des ersten Gesichtspunkts der Erfindung
ausgestattet ist, ebenso in dem Anwendungsbereich der Erfindung
liegt. Es ist vorzuziehen, dass die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehend genannte Aufgabe,
andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erkennbar, in denen ähnliche Bezugszeichen
zum Bezeichnen von ähnlichen
Elementen verwendet sind.
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1 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels,
in den eine Brennstoffzellentrenneinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel eingebaut ist;
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2A ist
eine Vorderansicht eines Gasströmungskanals
mit einer geradlinigen Gestalt;
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2B ist
eine Vorderansicht eines S-förmigen
Gasströmungskanals;
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2C ist
eine Vorderansicht eines Gasströmungskanals
der Brennstoffzellentrenneinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel;
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3A ist
eine Vorderansicht der Trenneinrichtung in der Umgebung von Einlassabschnitten von
Gasströmungskanälen;
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3B ist
eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 3B-3B in 3A;
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4 ist
eine Querschnittsansicht von Gasströmungskanälen an beiden Seiten einer
MEA; und
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5 ist
eine Querschnittsansicht, bei der einer von den Gasströmungskanälen des
Ausführungsbeispiels
mit dem Gasströmungskanal
verglichen wird, der in 2A gezeigt
ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Im folgenden wird eine Brennstoffzellentrenneinrichtung
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
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Eine Brennstoffzelle, auf die die
Trenneinrichtung dieses Ausführungsbeispiels
angewendet ist, ist an einem Brennstoffzellen-betriebenen Fahrzeug
oder ähnlichem
montiert. Es ist jedoch anzumerken, dass die Trenneinrichtung ebenso
an einem Gegenstand montiert sein kann, der kein Fahrzeug ist.
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Die Brennstoffzelle, auf die die
Trenneinrichtung dieses Ausführungsbeispiels
angewendet ist, ist eine Polymer- Elektrolyt-Brennstoffzelle.
Diese Brennstoffzelle hat eine Stapelanordnung, die aus laminierten
MEAs und Trenneinrichtungen besteht. Diese Stapelanordnung stimmt
mit der Anordnung der Standard-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle überein,
die vorstehend als Stand der Technik beschrieben ist, außer der
Anordnung der Gasströmungskanäle.
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1 zeigt
einen Teil eines Brennstoffzellenstapels, bei dem die Trenneinrichtung
des Ausführungsbeispiels
der Erfindung eingebaut ist. Ein Gasströmungskanal einer Trenneinrichtung 46 (4) ist an der Vorderseite
vorgesehen. Wie aus 1 entnehmbar
ist, sind eine Vielzahl von Gasströmungskanälen 25, die in 2C gezeigt sind, an einer
Trenneinrichtungsseite angeordnet. Jeder der Gasströmungskanäle 25 hat
Einlassabschnitte 26 und 27 sowie einen Auslassabschnitt 28.
Der Auslassabschnitt 28 ist hinsichtlich der Querschnittsfläche kleiner
als die Summe der Querschnittsflächen
der Einlassabschnitte 26 und 27. Jedoch ist es
ebenso geeignet, nur einen der Gasströmungskanäle 25 an der Trenneinrichtungsseite
anzuordnen.
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Wie in 2C gezeigt
ist, besteht jeder der Gasströmungskanäle 25 aus
einem "umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanal 66 und
einem S-förmigen
Gasströmungskanal 67.
Die Gasströmungskanäle 66 und 67 sind
symmetrisch zueinander angeordnet und laufen an ihren stromabwärtigen Abschnitten
in einen gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt
zusammen. Wie in 1 gezeigt
ist, ist der Strömungskanal 25 an
der Trenneinrichtungsseite angeordnet.
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Wie in 2C gezeigt
ist, haben der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal 66 und
der S-förmige
Gasströmungskanal 67 Einlassabschnitte 26 und 27,
erste lineare Abschnitte 62 und 63, erste gekrümmte Abschnitte
(ebenso als erste Umkehrabschnitte bezeichnet) 29 und 30,
zweite lineare Abschnitte 64 und 65, einen zweiten
gekrümmten
Abschnitt (ebenso als ein zweiter Umkehrabschnitt oder ein Zusammenflussabschnitt
bezeichnet) 31, einen dritten linearen Abschnitt (ebenso
als ein zusammenfließender
Strömungskanal
bezeichnet) 58 bzw. einen Auslassabschnitt 28.
Die Einlassabschnitte 26 und 27, die ersten linearen
Abschnitte 62, 63, die ersten gekrümmten Abschnitte 29 und 30,
die zweiten linearen Abschnitte 64 und 65, der
zweite gekrümmte Abschnitt 31,
der dritte lineare Abschnitt 58 und der Auslassabschnitt 28 sind
in diese Reihenfolge in eine Richtung von der stromaufwärtigen Seite
zu der stromabwärtigen
Seite angeordnet. Die zweiten linearen Abschnitte 64 und 65 laufen
an dem zweiten gekrümmten
Abschnitt (dem zweiten Umkehrabschnitt) 31 zusammen. Der
dritte lineare Abschnitt 58 und der Auslassabschnitt 28 bilden
die gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte,
die zu sowohl dem "mgekehrt
S-förmigen" Gasströmungskanal 66 als
auch dem S-förmigen
Gasströmungskanal 67 gehören.
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Die gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 31, 58 und 28 von
jedem der Gasströmungskanäle 25,
in denen der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal 66 und
der S-förmige
Gasströmungskanal 67 kombiniert
sind, sind zwischen dem zweiten linearen Abschnitt 64 des "umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanal 66 und
dem zweiten linearen Abschnitt 65 des S-förmigen Gasströmungskanal 67 gelegen.
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Die Querschnittsfläche der
gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 31, 58 und 28 ist
kleiner als die Summe der Querschnittsflächen der nicht gemeinsamen
Gasströmungskanalabschnitte 62 und 63 oder
der Summe der Querschnittsflächen
der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 29 und 30 oder
die Summe der Querschnittsflächen der
nicht gemeinsamen Durchflusskanalabschnitte 64 und 65,
die stromaufwärts
von dem zusammenfließenden
Abschnitt 31 gelegen sind.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Gasströmungskanäle 25,
in denen jeder von dem "umgekehrt
S-förmigen" Gasströmungskanal 66 und S-förmigen Gasströmungskanal 67 kombiniert
sind, sind an der einzigen Trenneinrichtung zur Seite ausgebildet.
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1 zeigt
ebenso eine MEA 7, die an der Trenneinrichtung 46 über eine
Diffusionsschicht 45 laminiert ist. Wie in 4 gezeigt ist, ist die MEA 7 aus
einer Elektrolytmembran 1 und Elektroden 2 und 44 zusammengesetzt.
Die Elektrolytmembran 1 ist durchlässig für Wasserstoffionen. Jede der
Elektroden 2 und 44 ist an einer entsprechenden
von den Seiten der Elektrolytmembran 1 ausgebildet. Während die
Elektrode, die an einer Seite der Elektrolytmembran 1 ausgebildet
ist, eine Anode ist, ist die Elektrode, die an der anderen Seite
der Elektrolytmembran 1 ausgebildet ist, eine Kathode.
Die Elektroden 2 und 44 bestehen hauptsächlich aus
Kohlenstoff, in den Platin als eine Substanz gemischt ist, die als
ein Katalysator dient. An jeder Seite der MEA 7 ist eine
entsprechende Diffusionsschicht 3 und 45 zwischen
der MEA 7 und der Trenneinrichtung angeordnet. Zum Zweck
des effizienten Einsatzes des Gases ist jede der Diffusionsschichten 3 und 45 angepasst, um
es dem Gas zu gestatten, sich soweit wie möglich über die gesamte Fläche von
einer entsprechenden der Elektroden zu verteilen. Wie in 1 gezeigt ist, sind Löcher 4a, 5a und 6a in
der MEA 7 geöffnet.
Ein Oxidationsgas 8a, ein Brennstoffgas 9a und
ein Kühlmittel 10a strömen durch
die Löcher 4a, 5a bzw. 6a. In
diesem Ausführungsbeispiel
wird Luft als das Oxidationsgas 8a verwendet und wird Sauerstoff
als das Brennstoffgas 9a verwendet.
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Das Oxidationsgas 8a, das
durch das Loch 4a der MEA 7 geströmt ist,
strömt
in einen Förderverteiler 17 einer
Lufttrenneinrichtung 8 für eine Kathode. Die Lufttrenneinrichtung 8 ist
an die MEA 7 laminiert und so ausgebildet, dass ein Luftströmungskanal 25 in
Kontakt mit der MEA 7 steht. Der Förderverteiler 17 ist
auf die gleich Weise wie bei der MEA 7 in der Lufttrenneinrichtung 8 geöffnet. In
Zusammenwirken mit dem Loch 4a der MEA 7 gestattet
der Förderverteiler 17 es
dem Oxidationsgas 8a, zu dem Luftströmungskanal 25 der
Lufttrenneinrichtung 8 zugeführt zu werden. Das Brennstoffgas 9a wird
in seinen Strömungskanal
durch einen Wasserstoffförderverteiler 19 mit
einem ähnlichen
Aufbau eingeführt
und das Kühlmittel 10a wird
in seinen Strömungskanal durch
einen Kühlmittelförderverteiler 20 mit
einem ähnlichen
Aufbau eingeführt.
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Wie in 3 gezeigt
ist, sind Kühlmittelströmungskanäle 42 an
einer Rückseite 43 ausgebildet, die
den Luftströmungskanal 25 der
Lufttrenneinrichtung 8 bildet. Durch Integration mit einem
(nicht gezeigten) Kühlmittelströmungskanal
bilden die Kühlmittelströmungskanäle 42 einen
Strömungskanal
für das
Kühlmittel 10a.
Der Kühlmittelströmungskanal
ist an einer Kühlmittelströmungskanalseite 21 einer Wasserstofftrenneinrichtung 9 für eine Anode
ausgebildet, die nachfolgend zu laminieren ist. Ein (nicht gezeigter)
Wasserstoffströmungskanal,
durch den Brennstoffgas 9a strömt, ist an einer Rückseite
(nicht gezeigt) der Kühlmittelströmungskanalseite 21 der Wasserstofftrenneinrichtung 9 ausgebildet.
Die Rückseite
der Kühlmittelströmungskanalseite 21 steht
in Kontakt mit einer MEA 10, die neu zu laminieren ist.
In dem vorstehend beschriebenen Abschnitt sind die Trenneinrichtungen 8 und 9,
die Trenneinrichtungen 11, 12 und 14,
die MEAs 7 und 10 und eine MEA 13 laminiert.
In Kombination mit zusätzlichen
Trenneinrichtungen und MEAs bilden die Trenneinrichtungen 8, 9, 11, 12 und 14 sowie
die MEAs 7, 10 und 13 einen Brennstoffzellenstapel 15.
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Der Brennstoffzellenstapel 15 hat
Verteiler und Löcher.
Jeder dieser Verteiler und jedes dieser Löcher bilden ein Paar mit einem
entsprechenden von den Förderverteilern 17, 19 und 20.
Jedes von dem Oxidationsgas 8a, dem Brennstoffgas 9a und dem
Kühlmittel 10a strömt durch
einen Strömungskanal,
der an einer entsprechenden von den Trenneinrichtungen ausgebildet
ist. Jedes von diesen Fluiden verwandelt sich in ein entsprechendes
von dem Oxidationsgas 8b, dem Brennstoffgas 9b und
dem Kühlmittel 10b.
Das Oxidationsgas 8b, das Brennstoffgas 9b und
das Kühlmittel 10b werden
aus dem Brennstoffzellenstapel 15 durch Auslassverteiler 54, 55 bzw. 56 ausgestoßen.
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Nachstehend wird beschrieben, wie
das Oxidationsgas 8a durch die Lufttrenneinrichtung 8 strömt, mit
Bezugnahme auf die 1, 2C, 3A und 3B.
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Befeuchtete Luft 18, die
von dem Luftförderverteiler 17 zugeführt wurde
und die in die Lufttrenneinrichtung 8 einzuführen ist,
wird in einen Einführkanal 14 eingeführt. Eine
Luftströmungskanalseite 16 der
Lufttrenneinrichtung 8 ist mit dem Einführkanal 40 versehen.
Der Einführkanal 40 ist
so hergestellt, dass er niedriger als die Luftströmungskanalseite 16 ist, und
bildet einen Durchgang zum Einführen
der befeuchteten Luft 18. Der Einführkanal 40 verbindet
den Luftförderverteiler 17 mit
einem Einlassverteilungsabschnitt 41, der nachstehend beschrieben
wird. Der Einführkanal 40 führt eine
vorbestimmte Menge befeuchteter Luft 18 in einen Luftströmungskanal 25 ein.
Der Luftströmungskanal 25 ist
ebenso an der Luftströmungskanalseite 16 ausgebildet
und erstreckt sich von dem Einlassverteilungsabschnitt 41. In 3 hat der Einlassverteilungsabschnitt 41 ein ausreichend
großes
Volumen für
die Summe von Querschnittsflächen
der Strömungskanäle 26, 27 (2C) und anderer Strömungskanaleinlässe, so dass
die befeuchtete Luft 18, die von dem Einführkanal 40 eingeführt wird,
im Wesentlichen gleichmäßig verteilt
werden kann. Der Einlaßverteilungsabschnitt 41 führt zu jedem
der Strömungskanaleinlässe.
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Unter Bezugnahme auf 4 sind die MEA 7 und die Diffusionsschichten 3, 45 zwischen
zwei Trenneinrichtungen, nämlich
der Lufttrenneinrichtung 8 und der Wasserstofftrenneinrichtung 40 so
geschichtet (sandwiched), dass die Diffusionsschicht 3 gegen
die Seite der MEA 7 an der Seite des Luftströmungskanals 25 gepresst
wird, und dass die Diffusionsschicht 45 gegen die Seite
der MEA 7 an der Seite des Wasserstoffströmungskanals 47 gepresst
ist. Demgemäß hat jeder
der Strömungskanäle 25 und 47 eine
im Wesentlichen rechteckige Querschnittsgestalt, wobei drei Seiten
durch eine entsprechende von den Trenneinrichtungen 8 und 46 definiert
sind und die andere Seite durch eine entsprechende von den Diffusionsschichten 3 und 45 ist.
Die Luft 18 und der Wasserstoff 48 strömt hauptsächlich durch
die Strömungskanäle 25 und 47,
aber tritt ebenso teilweise in die Diffusionsschichten 3 und 45 ein.
Zu verursachen, dass eine große
Menge Luft 59a und 59b sowie Wasserstoff 60a und 60b in
die Diffusionsschichten 3 bzw. 45 eindringt, ist ein wirksames
Verfahren zum Ermöglichen
der Gasreaktionen an einer größeren Ebene.
Die Abfolge, mit der die Lufttrenneinrichtung 8, die den
Luftströmungskanal 25 bildet,
die Wasserstofftrenneinrichtung 46, die den Wasserstoffströmungskanal 47 bildet,
und der (nicht gezeigte) Kühlmittelströmungskanal
sowie die MEA 7 laminiert sind, ist nicht beschränkt. Diese
Bauteile können
in jeder Abfolge laminiert werden, so lange die Funktion einer Brennstoffzelle
theoretisch garantiert ist.
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Als nächstes wird unter Bezugnahme
auf 5 beschrieben, wie
Feuchtigkeit in die Diffusionsschicht für den Fall eindringt, bei dem
der Strömungskanal
an der Trenneinrichtung ausgebildet ist, wie in 2C gezeigt ist (das Ausführungsbeispiel), und
für den
Fall, bei dem der Strömungskanal
an der Trenneinrichtung ausgebildet ist, wie in 2A gezeigt ist.
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Für
den Fall des Strömungskanals 32,
der in 2A gezeigt ist,
strömt
befeuchtete Luft 18 in Richtung auf den Auslass 34 durch
den Einlass 33. Dann befeuchtet Feuchtigkeit, die in der
befeuchteten Luft 18 enthalten ist, den gesamten Strömungskanal 32 und
treibt Gasreaktionen voran. Jedoch ist die Diffusionsschicht 3 lediglich
für das
Eindringen von Gas gedacht. Daher hat im Allgemeinen die Diffusionsschicht 3 eine
wasserabweisende Eigenschaft und hat eine verminderte Funktion zum
Halten von Feuchtigkeit. Für
den Fall des Strömungskanals 32,
der in 2A gezeigt ist,
dringt daher eine geringe Menge Feuchtigkeit (Feuchtigkeit 49),
die in der befeuchteten Luft 18 enthalten ist, in die Diffusionsschicht 3 gemeinsam
mit der befeuchteten Luft 18 ein und haftet eine geringe
Menge Feuchtigkeit (Feuchtigkeit 51 und Feuchtigkeit 52)
an dem Strömungskanal 32,
wie aus der linken Hälfte
von 5 erkennbar ist.
Jedoch strömt
gemeinsam mit der befeuchteten Luft 18 das meiste der Feuchtigkeit
durch den Strömungskanal 32,
der einen niedrigen Druckverlust aufweist. Aus diesem Grund kann
eine ausreichende Menge Feuchtigkeit, die für die Leistungserzeugung erforderlich
ist, nicht in der Diffusionsschicht 3 gehalten werden.
Als Folge kann die Leistungserzeugungsfähigkeit bei einer geringen
Feuchtigkeit nicht verbessert werden. Für den Fall, bei dem die Trenneinrichtung
des Ausführungsbeispiels
der Erfindung verwendet wird, dringt jedoch eine größere Menge Feuchtigkeit 50 in
die Diffusionsschicht 3 im Vergleich mit einem Fall, bei
dem eine Trenneinrichtung verwendet wird, die Strömungskanäle hat,
wie in 2A gezeigt ist,
wie von der rechten Hälfte
von 5 erkennbar ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt
es für
jeden der Strömungskanäle einen
Auslass, nämlich
den Auslass 28, der zu dem Auslassverteilungsabschnitt 57 von
dem Strömungskanal 25 führt. Jedoch
ist der Auslass 28 über
die ersten linearen Abschnitte 62 und 63, die
ersten gekrümmten
Abschnitte 29 und 30, die zweiten linearen Abschnitte 64 und 65,
einen zweiten gekrümmten
Abschnitt 31 und einen dritten linearen Abschnitt 58 mit
den zwei Einlässen 26 und 27 verbunden.
Das heißt,
dass die befeuchtete Luft 18, die in den Strömungskanal 25 durch
die Einlässe 26 und 27 von
dem Einlassverteilungsabschnitt 41 geströmt ist,
in den zweiten Umkehrabschnitt 31 durch die ersten Umkehrabschnitte 29 bzw. 30 strömt. In dem
zweiten Umkehrabschnitt 31 läuft die befeuchtete Luft 18 mit
der befeuchteten Luft 18 zusammen und mischt sich mit dieser,
die von den ersten Umkehrabschnitten 29 und 30 strömt, und strömt in Richtung
auf den Auslass 28 durch den einzigen Strömungskanal 58.
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Wie bei den Strömungskanälen der Trenneinrichtung hat
jeder von den Strömungskanälen 32 im
Wesentlichen den einzigen Einlass 33 und den einzigen Auslass 34,
wie aus 2A erkennbar
ist. Der Strömungskanal,
der in 2B mit einer
verbesserten Leistungsfähigkeit
gezeigt ist, hat einen gekrümmten
Strömungskanal 35,
der aus einem Einlass 36, einem Auslass 37, einem
ersten Umkehrabschnitt 38 und einem zweiten Umkehrabschnitt 39 besteht.
Die befeuchtete Luft 18, die nach innen durch den Einlass 36 geströmt ist,
strömt
durch den ersten Umkehrabschnitt 38, ändert ihre Richtung in dem
zweiten Umkehrabschnitt 39 und strömt dann in Richtung auf den
Auslass 37.
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In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
für jeden
der Strömungskanäle die befeuchtete Luft 18,
die nach innen durch die zwei Einlässe 26 und 27 geströmt ist,
aus dem einzigen Auslass 28 ausgestoßen. Dabei ist der Druck, der
auf den gesamten Strömungskanal 25 aufgebracht
wird, höher als
der Druck, der auf den Strömungskanal 32 aufgebracht
wird, der in 2A gezeigt
ist, oder der Druck, der auf den Strömungskanal 35 aufgebracht
wird, der in 2B gezeigt
ist. Daher dringt die befeuchtete Luft 18, die bei dem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung strömt,
tiefer in die Diffusionsschicht 3 ein, die eine Seite des
Strömungskanals 25 definiert,
als in die Diffusionsschicht, die eine Seite des Strömungskanals 32 definiert,
die in 2A gezeigt ist,
oder des Strömungskanals 35,
der in 2B gezeigt ist (5). Die Menge der befeuchteten
Luft 18, die in der Diffusionsschicht 3 als Feuchtigkeit
kondensiert und gehalten wird, wird durch Anheben eines Sättigungsdampfdrucks
für eine
Erhöhung
des Drucks ebenso erhöht.
Diese Feuchtigkeit wird nicht leicht durch die befeuchtete Luft 18 fortgetragen,
die durch den Strömungskanal 25 strömt. Aufgrund
einer Erhöhung
des Drucks, der auf den Strömungskanal
aufgebracht wird, tritt ein Vorgang eines tiefen Eindringens der
befeuchteten Luft 18 in die Diffusionsschicht 3 an allen
Seiten des Luftströmungskanals 25 auf.
Als Folge dringt Feuchtigkeit 50 tief und verbreitet in
die gesamte Diffusionsschicht 3 ein und wird gehalten.
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Wie vorstehend beschrieben ist, haben
die zwei Einlässe 26 und 27 den
einzigen Auslass 28 gemeinsam. Das bildet den Vorgang und
die Wirkung zum Verringern der Durchflusskanalfläche. Als Folge wird der Druck,
der auf den gesamten Strömungskanal 25 aufgebracht
wird, erhöht
und verbleibt die Feuchtigkeit, die in den Strömungskanal 25 durch
die befeuchtete Luft 18 eingeführt wurde, in der Diffusionsschicht 3.
Die Menge von dieser Feuchtigkeit ist ausreichend für die Menge
der Feuchtigkeit, die für die
Gasreaktionen erforderlich ist. Somit wird ein Betrieb mit geringer
Feuchtigkeit der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Da die befeuchtete Luft 18,
die von den zwei Einlässen 26 und 27 nach
innen geströmt
ist, durch den einzigen Auslass ausströmt, wird die Durchflussrate
in dem mittleren zusammenfließenden
Strömungskanal 58 erhöht. Daher
wird der Ausstoß der Feuchtigkeit
im Vergleich mit einem Fall, bei dem eine Trenneinrichtung mit Strömungskanälen verwendet
wird, wie in 2B gezeigt
ist vorangetrieben und kann somit eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit
verhindern, die sich aus der Stagnation bzw. dem Stehenbleiben der
Feuchtigkeit mit einer hohen Befeuchtung ergibt.
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Die vorstehend genannte Anordnung
wurde gemäß dem Beispiel
des Luftdurchflusskanals 25 beschrieben. Auch wenn jedoch
die vorstehend genannte Anordnung auf einen Wasserstoffströmungskanal
angewendet wird, kann der Betrieb und die Wirkung ähnlich den
denjenigen des Ausführungsbeispiels
der Erfindung erwartet werden. Auch wenn daher die vorstehend genannte
Anordnung auf sowohl einen Luftströmungskanal als auch einen Wasserstoffströmungskanal
angewendet wird, kann der Betrieb und die Wirkung ähnlich denjenigen
des Ausführungsbeispiels
der Erfindung erwartet werden.
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Gemäß der vorstehend erwähnten Brennstoffzellentrenneinrichtung
laufen der "umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal
und der S-förmige Gasströmungskanal
an ihren stromabwärtigen
Abschnitten in den gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt zusammen.
Daher wird die Durchflussrate stromabwärts von dem zusammenfließenden Abschnitt
im Vergleich mit einem Fall erhöht,
bei dem der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal
und der S-förmige
Gasströmungskanal
nicht in den gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt
zusammenlaufen.
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Als Folge wird die Menge der Feuchtigkeit, die
in die Diffusionsschicht an dem stromabwärtigen Abschnitt eindringt,
erhöht.
Die Wirkung zum Ausblasen von Feuchtigkeit wird ebenso verbessert
und die Ablauffähigkeit
wird verbessert. Aufgrund einer Verbesserung der Ablauffähigkeit
wird das Auftreten einer Überflutung
bzw. einer Flutung beschränkt.
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Gemäß der vorstehend erwähnten Brennstoffzellentrenneinrichtung
hat jeder von dem "umgekehrt
S-förmigen" Gasströmungskanal
und dem S-förmigen
Gasströmungskanal
den Einlassabschnitt, den ersten linearen Abschnitt, den ersten
gekrümmten
Abschnitt, den zweiten linearen Abschnitt, den zweiten gekrümmten Abschnitt,
den dritten linearen Abschnitt und den Auslassabschnitt, die in
dieser Reihenfolge in der Richtung von der stromaufwärtigen Seite
zu der stromabwärtigen
Seite angeordnet sind. Der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal und
der S-förmige
Gasströmungskanal
laufen an dem zweiten gekrümmten
Abschnitt zusammen. Der dritte lineare Abschnitt und der Auslassabschnitt
bilden den gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt.
Daher liegt der zusammenfließende
Abschnitt angrenzend an den Einlassabschnitt, der zu dem Strömungskanal
führt.
Auch wenn der Bereich in der Umgebung des Einlassabschnitts übermäßig befeuchtet
wird, wird das Ablaufen der Feuchtigkeit, die in dem übermäßig befeuchteten
Bereich enthalten ist, durch den zusammenfließenden Gasströmungskanal
mit einer erhöhten
Durchflussrate vorangetrieben. Es ist somit möglich, zu verhindern, dass
der gesamte Trenneinrichtungsbereich sich hinsichtlich der Ablauffähigkeit
verschlechtert. Außerdem
ist es gemäß der vorstehend
erwähnten
Brennstoffzellentrenneinrichtung der gemeinsame Gasströmungskanalabschnitt,
in den der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal
und der S-förmige
Gasströmungskanal zusammenlaufen,
zwischen dem zweiten linearen Abschnitt des "umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanal und dem zweiten
linearen Abschnitt des S-förmigen
Gasströmungskanals
gelegen. In der Richtung senkrecht zu dem Gasströmungskanal sind daher der stromaufwärtige Abschnitt,
der zusammenfließende
stromabwärtige
Abschnitt und der stromaufwärtige
Abschnitt in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Gaskonzentration
in dem zusammenfließenden
stromabwärtigen
Abschnitt wird im Vergleich mit einem Fall erhöht, bei dem der "umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal
und der S-förmige
Gasströmungskanal
nicht zusammenlaufen. Daher wird die Gaskonzentration in der Richtung
senkrecht zu dem Gasströmungskanal
homogenisiert und die Leistungserzeugungsfähigkeit verbessert.
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Gemäß der vorstehend erwähnten Brennstoffzellentrenneinrichtung
ist der Gasströmungskanal,
bei dem der "umgekehrt
S-förmige" Gasströmungskanal
und der S-förmige
Gasströmungskanal zusammenlaufen,
an der Trenneinrichtungsseite ausgebildet. Daher kann die Verteilung
der Gaskonzentrationen an der gesamten Trenneinrichtungsseite homogenisiert
werden und wird die Leistungserzeugungsfähigkeit verbessert.
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Gemäß der vorstehend erwähnten Brennstoffzellentrenneinrichtung
ist die Querschnittsfläche des
gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitts kleiner
als die Summe der Querschnittsflächen
der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte. Daher
kann die Gasdurchflussrate in dem zusammenfließenden Abschnitt und dem Bereich
stromabwärts
davon erhöht
werden und kann die Wirkung zum Ausblasen der Feuchtigkeit zuverlässig erzielt werden.
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Während
die Erfindung unter Bezugnahme auf das beschrieben ist, was als
bevorzugte Ausführungsbeispiele
von dieser betrachtet wird, ist es verständlich, dass die Erfindung
nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele
oder Konstruktionen beschränkt
ist. Dagegen ist beabsichtigt, dass die Erfindung verschiedenartige
Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdeckt. Während
zusätzlich
die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen
Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die beispielhaft
sind, liegen andere Kombinationen und Konfigurationen einschließlich mehr,
weniger oder einem einzigen Element ebenso innerhalb des Grundgedankens
und des Anwendungsbereichs der Erfindung.
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Somit ist bei der Brennstoffzellentrenneinrichtung
ein Gasströmungskanal 25,
bei dem ein "umgekehrt
S-förmiger" Gasströmungskanal 66 und ein
S-förmiger
Gasströmungskanal 67 symmetrisch zueinander
ausgebildet sind und an ihren stromabwärtigen Abschnitten derart zusammenlaufen,
dass sie Gasströmungskanalabschnitte 31, 58, 28 gemeinsam
haben, an einer Trenneinrichtungsseite angeordnet. Die Querschnittsfläche der
gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte
ist kleiner als die Summe der Querschnittsflächen von nicht gemeinsamen
Gasströmungskanalabschnitten,
die stromaufwärts
von einem zusammenfließenden
Abschnitt gelegen sind.