DE10321946B4

DE10321946B4 - Brennstoffzellenseparator und Verwendung des Brennstoffzellenseparators in einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10321946B4
Application number: DE10321946A
Authority: DE
Inventors: Ken Nishio Nomura; Mikio Toyota Wada; Yuichi Toyota Yagami; Tsuyoshi Toyota Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: CA2428839C; CA2428839A1; DE10321946A1; JP2003331870A; US20030215694A1; JP4245308B2

Abstract

Brennstoffzellenseparator, bei dem in einer Separatorfläche des Brennstoffzellenseparators ein Gasströmungskanal (25) angeordnet ist, in dem ein „umgekehrt S-förmiger" Gasströmungskanal (66) und ein S-förmiger Gasströmungskanal (67) symmetrisch zueinander ausgebildet sind und an ihren stromabwärtigen Abschnitten so zusammenlaufen, dass sie Gasströmungskanalabschnitte (58, 28) gemeinsam haben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator für insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
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 einem Separator besteht.
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 dem Separator 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 dem Separator ausgebildet. Der Separator bildet einen Durchgang für Elektronen, die sich zwischen angrenzenden von den Zellen bewegen.
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.
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 den Separator 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

Zum Bewirken der vorstehend genannten Reaktionen wird dem Stapel Brennstoffgas und Sauerstoffgas 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 Oxidationsgasströmungskanals auf, bei dem es besonders 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.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-263003 offenbart eine Brennstoffzelle mit einem Separator, bei der eine Vielzahl von S-förmigen Gasströmungskanälen in einer Separatorfläche parallel und unabhängig voneinander ausgebildet sind. Durch die Krümmung in die Gestalt von einem „S" sind die Gasströmungskanäle keine geradlinigen Gasströmungskanäle mehr. Somit wird die Durchflussrate des Gases erhöht und das Eindringen des Gases in die Diffusionsschicht 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.
Jedoch hat einen Brennstoffzellenseparator mit S-förmigen Gasströmungskanälen die folgenden Nachteile.

A: Da Gas für die Reaktionen zum Erzeugen von Leistung verbraucht wird, verringert sich die Gasdurchflussrate, wenn sich die Entfernung von den stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 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 Gasströmungskanals gelegen. Daher bringt eine Verschlechterung der Ableitungsleistungsfähigkeit an den stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle eine Verschlechterung der Ableitungsleistungsfähigkeit des gesamten Separatorbereichs mit sich.
C: In der Richtung senkrecht zu den Gasströmungskanälen ist der stromaufwärtige Abschnitt eines bestimmten Gasströmungskanals, sein stromabwärtiger Abschnitt, der stromaufwärtige Abschnitt eines anderen Gasströmungskanals, 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.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenseparator zu schaffen, der in der Lage ist, die Ablauffähigkeit bzw. Ablaufleistungsfähigkeit eines stromabwärtigen Abschnitts eines Gasströmungskanals zu verbessern, die Ablauffähigkeit eines gesamten Separatorbereichs zu verbessern und die Ungleichmäßigkeit der Verteilung von Gaskonzentrationen zu verbessern.
Die Erfindung sieht hierzu einen Brennstoffzellenseparator vor, wie er in Anspruch 1 definiert ist. Bei diesem Separator ist in einer Separatorfläche des Brennstoffzellenseparators ein Gasströmungskanal angeordnet, in dem ein „umgekehrt S-förmiger" Gasströmungskanal und ein S-förmiger Gasströmungskanal symmetrisch zueinander angeordnet sind und an ihren stromabwärtigen Abschnitten so zusammenlaufen, dass sie Gasströmungskanalabschnitte gemeinsam haben.
Den Unteransprüchen sind Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen.
Wie aus den Unteransprüchen hervorgeht ist vorzuziehen, dass die Querschnittsfläche der gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte kleiner als die Summe von Querschnittsflächen von nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitten ist, die stromaufwärts von einem zusammenlaufenden Abschnitt gelegen sind.
Bei dem vorstehend genannten Brennstoffzellenseparator laufen der „umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal und der S-förmige Gasströmungskanal an ihrem stromabwärtigen Abschnitt derart zusammen, dass sie die Gasströmungskanalabschnitte gemeinsam haben. Daher wird die Durchflussrate stromabwärts von dem zusammenlaufenden Abschnitt im Vergleich mit einem Fall erhöht, bei dem der „umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal und der S-förmige Gasströmungskanal nicht zusammenlaufen.
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.
Außerdem ist vorzuziehen, dass der zusammenlaufende Abschnitt angrenzend an einem Einlassabschnitt liegt, der zu dem Gasströmungskanal 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 zusammenlaufenden Gasströmungskanal mit einer erhöhten Durchflussrate vorangetrieben. Es ist somit möglich, zu verhindern, dass der gesamte Separatorbereich sich hinsichtlich der Ablauffähigkeit verschlechtert.
In der Richtung senkrecht zu dem Gasströmungskanal sind der stromaufwärtige Abschnitt, der zusammenlaufende stromabwärtige Abschnitt und der stromaufwärtige Abschnitt in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Gaskonzentration an dem zusammenlaufenden stromabwärtigen Abschnitt wird im Vergleich mit dem Fall des Separaturs 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.
Die vorstehend genannte Anordnung ist ungeachtet dessen möglich, ob die Gasströmungskanäle nur aus Oxidationsgasströmungskanälen, nur aus Brennstoffgasströmungskanälen oder aus sowohl Oxidationsgasströmungskanälen als auch Brennstoffgasströmungskanälen bestehen.
Es ist anzumerken, dass die Verwendung des oben beschriebenen Brennstoffzellenseparators in einer Brennstoffzelle ebenso in dem Anwendungsbereich der Erfindung liegt. Es ist vorzuziehen, dass die Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels, in dem ein Brennstoffzellenseparator gemäß dem Ausführungsbeispiel eingebaut ist;
2A ist eine Vorderansicht eines Gasströmungskanals mit einer geradlinigen Gestalt;
2B ist eine Vorderansicht eines S-förmigen Gasströmungskanals;
2C ist eine Vorderansicht eines Gasströmungskanals des Brennstoffzellenseparators gemäß dem Ausführungsbeispiel;
3A ist eine Vorderansicht des Separators in der Umgebung von Einlassabschnitten von Gasströmungskanälen;
3B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 3B-3B in 3A;
4 ist eine Querschnittsansicht von Gasströmungskanälen auf beiden Seiten einer MEA; und
5 ist eine Querschnittsansicht, bei der einer von den Gasströmungskanälen des Ausführungsbeispiels mit dem Gasströmungskanal verglichen wird, der in 2A gezeigt ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Im Folgenden wird ein Brennstoffzellenseparator gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Eine Brennstoffzelle, auf die der Separator dieses Ausführungsbeispiels angewendet ist, ist an einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug oder ähnlichem montiert. Es ist jedoch anzumerken, dass der Separator ebenso an einem Gegenstand montiert sein kann, der kein Fahrzeug ist.
Die Brennstoffzelle, auf die der Separator dieses Ausführungsbeispiels angewendet ist, ist eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle hat eine Stapelanordnung, die aus laminierten MEAs und Separatoren besteht. Diese Stapelanordnung stimmt bis auf die Anordnung der Gasströmungskanäle mit der Anordnung der Standard-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle überein, die vorstehend als Stand der Technik beschrieben ist.
1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellenstapels, bei dem der Separator des Ausführungsbeispiels der Erfindung eingebaut ist. Ein Gasströmungskanal eines Separators 46 (4) ist an der Vorderseite vorgesehen. Wie aus 1 zu entnehmen ist, sind eine Vielzahl von Gasströmungskanälen 25, die in 2C gezeigt sind, in einer Separatorfläche angeordnet. Die Gasströmungskanäle 25 haben jeweils Einlassabschnitte 26 und 27 sowie einen Auslassabschnitt 28. Der Auslassabschnitt 28 ist hinsichtlich der Querschnittsfläche kleiner als die Summe der Querschnitts flächen der Einlassabschnitte 26 und 27. Jedoch ist es ebenso geeignet, nur einen der Gasströmungskanäle 25 in der Separatorfläche anzuordnen.
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 Gasströmungskanal 25 in der Separatorfläche angeordnet.
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 (Umkehr-) Abschnitte 29 und 30, zweite lineare Abschnitte 64 und 65, einen (auch als zusammenlaufenden Abschnitt bezeichneten) zweiten gekrümmten (Umkehr-) Abschnitt 31, einen dritten linearen Abschnitt 58 und 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 einer 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 zweite gekrümmte Abschnitt 31, der dritte lineare Abschnitt 58 und der Auslassabschnitt 28 bilden die gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte, die zu sowohl dem „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanal 66 als auch dem S-förmigen Gasströmungskanal 67 gehören.
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.
Die Querschnittsfläche der gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 31, 58 und 28 ist kleiner als die Summe der Querschnittsflächen der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 62 und 63 oder die Summe der Querschnittsflächen der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 29 und 30 oder die Summe der Querschnittsflächen der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte 64 und 65, die stromaufwärts von dem zweiten gekrümmten Abschnitt 31 gelegen sind.
In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Gasströmungskanäle 25, in denen jeweils der „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanal 66 und der S-förmige Gasströmungskanal 67 kombiniert sind, nur in der einen Separatorfläche ausgebildet.
1 zeigt ebenso eine MEA 7, die an dem Separator 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 dem Separator angeordnet. Zum Zweck des effizienten Einsatzes des Gases ist jede der Diffusionsschichten 3 und 45 daran angepasst, 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 Wasserstoff als das Brennstoffgas 9a verwendet.
Die als Oxidationsgas 8a verwendete Luft, die durch das Loch 4a der MEA 7 geströmt ist, strömt in einen Förderverteiler 17 eines Luftseparators 8 für eine Kathode. Der Luftseparator 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 gleiche Weise wie bei der MEA 7 in dem Luftseparator 8 geöffnet. In Zusammenwirken mit dem Loch 4a der MEA 7 gestattet der Förderverteiler 17 es der Luft, zu dem Luftströmungskanal 25 des Luftseparators 8 zugeführt zu werden. Der als Brennstoffgas 9a verwendete Wasserstoff wird in seinen Gasströmungskanal 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.
Wie in 3 gezeigt ist, sind an einer Rückseite 43, die den Luftströmungskanal 25 des Luftseparators 8 bildet, Kühlmittelströmungskanäle 42 ausgebildet. Durch Integration mit einem (nicht gezeigten) Kühlmittelströmungskanal bilden die Kühlmittelströmungskanäle 42 einen Strömungskanal für das Kühlmittel 10a. Der Kühlmittelströmungskanal ist in einer Kühlmittelströmungskanalfläche 21 eines Wasserstoffseparators 9 für eine Anode ausgebildet, die nachfolgend zu laminieren ist. Ein (nicht gezeigter) Wasserstoffströmungskanal, durch den der als Brennstoffgas 9a verwendete Wasserstoff strömt, ist an der Rückseite (nicht gezeigt) der Kühlmittelströmungskanalfläche 21 des Wasserstoffseparators 9 ausgebildet. Die Rückseite der Kühlmittelströmungskanalfläche 21 steht in Kontakt mit einer MEA 10, die neu zu laminieren ist. In dem vorstehend beschriebenen Abschnitt sind die Separatoren 8 und 9, die Separatoren 11, 12 und 14, die MEAs 7 und 10 und eine MEA 13 laminiert. In Kombination mit zusätzlichen Separatoren und MEAs bilden die Separatoren 8, 9, 11, 12 und 14 sowie die MEAs 7, 10 und 13 einen Brennstoffzellenstapel 15.
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 einem entsprechenden von den Separatoren 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.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 1, 2C, 3A und 3B beschrieben, wie das Oxidationsgas 8a durch den Luftseparator 8 strömt.
Befeuchtete Luft 18, die von dem Luftförderverteiler 17 zugeführt wurde und die in den Luftseparator 8 einzuführen ist, wird in einen Einführkanal 40 eingeführt. Eine Luftströmungskanalfläche 16 des Luftseparators 8 ist mit dem Einführkanal 40 versehen. Der Einführkanal 40 ist so hergestellt, dass er niedriger als die Luftströmungskanalfläche 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 in der Luftströmungskanalfläche 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 Einlassabschnitte 26, 27 (2C) und anderer Gasströmungskanaleinlässe, 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 Gasströmungskanaleinlässe.
Unter Bezugnahme auf 4 sind die MEA 7 und die Diffusionsschichten 3, 45 zwischen zwei Separatoren, nämlich dem Luftseparator 8 und dem Wasserstoffseparator 46 so geschichtet (sandwiched), dass die Diffusionsschicht 3 gegen die Stirnfläche 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 Gasströmungskanäle 25 und 47 eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsgestalt, wobei drei Seiten durch einen entsprechenden von den Separatoren 8 und 46 definiert sind und die andere Seite durch eine entsprechende von den Diffusionsschichten 3 und 45 definiert ist. Die Luft 18 und der Wasserstoff 48 strömen hauptsächlich durch die Gasströmungskanäle 25 und 47, aber treten 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 der Luftseparator 8, der den Luftströmungskanal 25 bildet, der Wasserstoffseparator 46, der 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.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben, wie Feuchtigkeit in die Diffusionsschicht für den Fall eindringt, bei dem der Gasströmungskanal an dem Separator ausgebildet ist, wie in 2C gezeigt ist (das Ausführungsbeispiel), und für den Fall, bei dem der Gasströmungskanal an dem Separator ausgebildet ist, wie in 2A gezeigt ist.
Für den Fall des Gasströmungskanals 32, der in 2A gezeigt ist, strömt befeuchtete Luft 18 durch den Einlass 33 in Richtung auf den Auslass 34. Dann befeuchtet Feuchtigkeit, die in der befeuchteten Luft 18 enthalten ist, den gesamten Gasströmungskanal 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 Gasströmungskanals 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 Gasströmungskanal 32, wie aus der linken Hälfte von 5 erkennbar ist. Jedoch strömt gemeinsam mit der befeuchteten Luft 18 die meiste Feuchtigkeit durch den Gasströmungskanal 32, der einen niedrigen Druckverlust aufweist. Aus diesem Grund kann keine ausreichende Menge Feuchtigkeit, die für die Leistungserzeugung erforderlich ist, in der Diffusionsschicht 3 gehalten werden. Als Folge kann die Leistungserzeugungsfähigkeit bei einer geringen Feuchtigkeit nicht verbessert werden. Für den Fall, bei dem der Separator des Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendet wird, dringt jedoch eine größere Menge Feuchtigkeit 50 in die Diffusionsschicht 3 im Vergleich mit einem Fall, bei dem einen Separator verwendet wird, die Gasströmungskanäle hat, wie in 2A gezeigt ist, wie von der rechten Hälfte von 5 erkennbar ist.
In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt es für jeden der Gasströmungskanäle einen Auslass, nämlich den Auslass 28, der zu dem Auslassverteilungsabschnitt 57 von dem Gasströmungskanal 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, den zweiten gekrümmten Abschnitt 31 und den dritten linearen Abschnitt 58 mit den zwei Einlässen 26 und 27 verbunden. Das heißt, dass die befeuchtete Luft 18, die in den Gasströmungskanal 25 durch die Einlässe 26 und 27 von dem Einlassverteilungsabschnitt 41 geströmt ist, durch die ersten gekrümmten Abschnitte 29 bzw. 30 in den zweiten gekrümmten Abschnitt 31 strömt. In dem zweiten gekrümmten Abschnitt 31 läuft die befeuchtete Luft 18, die von den ersten Umkehrabschnitten 29 und 30 strömt, zusammen, mischt sich und strömt durch den gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt 58 in Richtung auf den Auslass 28.
Der Gasströmungskanal 32, der in 2A gezeigt ist, hat dagegen im Wesentlichen einen einzigen Einlass 33 und einen einzigen Auslass 34. Der Gasströmungskanal, der in 2B gezeigt ist, ist ein gekrümmter Gasströmungskanal 35 mit verbesserter Leistungsfähigkeit, der aus einem Einlass 36, einem Auslass 37, einem ersten gekrümmten Abschnitt 38 und einem zweiten gekrümmten Abschnitt 39 besteht. Die befeuchtete Luft 18, die nach innen durch den Einlass 36 geströmt ist, strömt durch den ersten gekrümmten Abschnitt 38, ändert ihre Richtung in dem zweiten gekrümmten Abschnitt 39 und strömt dann in Richtung auf den Auslass 37.
In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für jeden der Gasströmungskanäle 25 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 Gasströmungskanal 25 aufgebracht wird, höher als der Druck, der auf den Gasströmungskanal 32 aufgebracht wird, der in 2A gezeigt ist, oder der Druck, der auf den Gasströmungskanal 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 Gasströmungskanals 25 definiert, als in die Diffusionsschicht, die eine Seite des Gasströmungskanals 32 definiert, der in 2A gezeigt ist, oder des Gasströmungskanals 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 ebenfalls erhöht. Diese Feuchtigkeit wird nicht leicht durch die befeuchtete Luft 18 fortgetragen, die durch den Gasströmungskanal 25 strömt. Aufgrund einer Erhöhung des Drucks, der auf den Gasströmungskanal 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.
Wie vorstehend beschrieben ist, haben die zwei Einlässe 26 und 27 den einzigen Auslass 28 gemeinsam. Dadurch wird die Gasströmungskanalfläche verringert. Als Folge wird der Druck, der auf den gesamten Gasströmungskanal 25 aufgebracht wird, erhöht und verbleibt die Feuchtigkeit, die in den Gasströmungskanal 25 durch die befeuchtete Luft 18 eingeführt wurde, in der Diffusionsschicht 3. Die Menge 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.
Da die befeuchtete Luft 18, die von den zwei Einlässen 26 und 27 nach innen geströmt ist, durch den einzigen Auslass 28 ausströmt, wird die Durchflussrate in dem mittleren gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt 58 erhöht. Daher wird der Ausstoß der Feuchtigkeit im Vergleich mit einem Fall, bei dem ein Separator mit Gasströmungskanälen verwendet wird, wie sie in 2B gezeigt sind, vorangetrieben und kann somit eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit verhindern, die sich aus der Stagnation bzw. dem Stehenbleiben der Feuchtigkeit mit einer hohen Befeuchtung ergibt.
Die vorstehend genannte Anordnung wurde gemäß dem Beispiel des Luftströmungskanals 25 beschrieben. Aber auch dann, wenn die vorstehend genannte Anordnung auf einen Wasserstoffströmungskanal angewendet wird, kann der Betrieb und die Wirkung ähnlich den denjenigen des Ausführungsbeispiels der Erfindung erwartet werden. Daher kann auch dann, wenn die vorstehend genannte Anordnung auf sowohl einen Luftströmungskanal als auch einen Wasserstoffströmungskanal angewendet wird, der Betrieb und die Wirkung ähnlich denjenigen des Ausführungsbeispiels der Erfindung erwartet werden.
Gemäß dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellenseparator 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 zusammenlaufenden 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.
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.
Gemäß dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellenseparator 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 zusammenlaufende Abschnitt angrenzend an den Einlassabschnitt, der zu dem Gasströmungskanal 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 zusammenlaufenden Gasströmungskanalabschnitt mit einer erhöhten Durchflussrate vorangetrieben. Es ist somit möglich, zu verhindern, dass der gesamte Separatorbereich sich hinsichtlich der Ablauffähigkeit verschlechtert. Außerdem ist es gemäß dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellenseparator 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 zusammenlaufende stromabwärtige Abschnitt und der stromaufwärtige Abschnitt in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Gaskonzentration in dem zusammenlaufenden 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.
Gemäß dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellenseparator ist der Gasströmungskanal, bei dem der „umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal und der S-förmige Gasströmungskanal zusammenlaufen, in der Separatorfläche ausgebildet. Daher kann die Verteilung der Gaskonzentrationen in der gesamten Separatorfläche homogenisiert werden und wird die Leistungserzeugungsfähigkeit verbessert.
Gemäß dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellenseparator ist die Querschnittsfläche des gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitts kleiner als die Summe der Querschnittsflächen der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte. Daher kann die Gasdurchflussrate in dem zusammenlaufenden Abschnitt und dem Bereich stromabwärts davon erhöht werden und kann die Wirkung zum Ausblasen der Feuchtigkeit zuverlässig erzielt werden.
Zwar wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf das beschrieben, was als bevorzugte Ausführungsbeispiele von dieser betrachtet wird, doch 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.

Claims

Brennstoffzellenseparator, bei dem in einer Separatorfläche des Brennstoffzellenseparators ein Gasströmungskanal (25) angeordnet ist, in dem ein „umgekehrt S-förmiger" Gasströmungskanal (66) und ein S-förmiger Gasströmungskanal (67) symmetrisch zueinander ausgebildet sind und an ihren stromabwärtigen Abschnitten so zusammenlaufen, dass sie Gasströmungskanalabschnitte (58, 28) gemeinsam haben.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 1, bei dem der „umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal (66) und der S-förmige Gasströmungskanal (67) Einlassabschnitte (26, 27), erste lineare Abschnitte (62, 63), erste gekrümmte Abschnitte (29, 30), zweite lineare Abschnitte (64, 65), einen zweiten gekrümmten Abschnitt (31), einen dritten linearen Abschnitt (58) und einen Auslassabschnitt (28) haben, die in dieser Reihenfolge in einer Richtung von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite angeordnet sind, wobei der „umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal (66) und der S-förmige Gasströmungskanal (67) an dem zweiten gekrümmten Abschnitt (31) zusammenlaufen und der dritte lineare Abschnitt (58) und der Auslassabschnitt (28) den gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitt bilden.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 2, bei dem der gemeinsame Gasströmungskanalabschnitt (58, 28) des Gasströmungskanals (25), in den der „umgekehrt S-förmige" Gasströmungskanal (66) und der S-förmige Gasströmungskanal (67) zusammenlaufen, zwischen dem zweiten linearen Abschnitt (64) des „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanals (66) und dem zweiten linearen Abschnitt (65) des S-förmigen Gasströmungskanals (67) gelegen ist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 2, bei dem die Querschnittfläche des dritten linearen Abschnitts (58) und des Auslassabschnitts (28) kleiner als zumindest eine von der Summe von Querschnittsflächen von Einlassabschnitten (26, 27) des „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanals (66) und des S-förmigen Gasströmungskanals (67) und von der Summe von Querschnittsflächen der ersten linearen Abschnitte (62, 63) von dem „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanal (66) und dem S-förmigen Gasströmungskanal (67) und von der Summe von Querschnittsflächen der ersten gekrümmten Abschnitte (29, 30) des „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanals (66) und des S-förmigen Gasströmungskanals (67) und von der Summe von Querschnittsflächen von zweiten linearen Abschnitten (64, 65) des „umgekehrt S-förmigen" Gasströmungskanals (66) und des S-förmigen Gasströmungskanals (67) ist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 4, bei dem die Querschnittsflächen des dritten linearen Abschnitts (58), des Auslassabschnitts (28), der Einlassabschnitte (26, 27), der ersten linearen Abschnitte (62, 63), der ersten gekrümmten Abschnitte (29, 30) und der zweiten linearen Abschnitte (64, 65) senkrecht zu der Gasströmungsrichtung an den jeweiligen Abschnitten sind.
Brennstoffzellenseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in der Separatorfläche eine Vielzahl von Gasströmungskanälen (25) ausgebildet ist, in denen der „umgekehrt S-förmige” Gasströmungskanal (66) und der S-förmige Gasströmungskanal (67) zusammenlaufen.
Brennstoffzellenseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gasströmungskanal (25) ein Oxidationsgasströmungskanal (8a) ist.
Brennstoffzellenseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gasströmungskanal (25) ein Brennstoffgasströmungskanal (9a) ist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 6, bei dem die Gasströmungskanäle (25) ein Oxidationsgasströmungskanal (8a) und ein Brennstoffgasströmungskanal (9a) sind.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 9, bei dem der Oxidationsgasströmungskanal (8a) an einer Kathode einer Zelle einer Brennstoffzelle angeordnet ist und der Brennstoffgasströmungskanal (9a) an einer Anode der Zelle der Brennstoffzelle angeordnet ist.
Brennstoffzellenseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 10, bei dem die Querschnittsfläche der gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte (31, 58, 28) kleiner als die Summe von Querschnittsflächen von nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitten (62, 29, 64, 63, 30, 65) ist, die stromaufwärts von einem zusammenlaufenden Abschnitt (31) gelegen sind.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 11, bei dem die Querschnittsflächen der gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte (31, 58, 28) und der nicht gemeinsamen Gasströmungskanalabschnitte (62, 29, 64, 63, 30, 65) senkrecht zu einer Gasströmungsrichtung an den jeweiligen Abschnitten sind.
Verwendung eines Brennstoffzellenseparators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Brennstoffzelle.
Verwendung nach Anspruch 13, wobei die Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist.