DE112006000958T5 - Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzelle umfassend:
eine Membranelektrodenanordnung, die ein Verbundelement einer Polyelektrolytmembran ist, wobei Katalysatorschichten so angeordnet sind, dass sie die Polyelektrolytmembran beschichten, und Gasdiffusionsschichten jeweils außen von den Katalysatorschichten angeordnet sind, und in der Anoden- und Katodenelektroden ausgebildet sind; und
ein Paar von Separatoren, in denen Gaskanalnutbereiche so ausgebildet sind, dass ihre Oberflächen in Kontakt mit den Gasdiffusionsschichten gebracht werden, um einen Gaskanal zu bilden, und die so angeordnet sind, dass sie die Membranelektrodenanordnung beschichten, wobei
in jedem der Separatoren
der Gaskanal mehrere, im wesentlichen lineare Kanalabschnitte umfasst, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und mehrere gebogene Kanalabschnitte, die Endabschnitte der linearen Kanäle mit Endabschnitten ihrer benachbarten linearen Kanalabschnitten verbinden, wobei die Gaskanalnutbereiche so ausgebildet sind, dass sie von einer Gaszuführungsöffnung zu einer Austragsöffnung in Verbindung stehen, und bei dem
in Innenwandflächen der Gaskanalnutbereiche, die jeweils die linearen Kanalabschnitte bilden, Wasserrückhaltenutbereiche zum Zurückhalten von mindestens einem...

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine polyelektrolytische Membranen nutzende Brennstoffzelle, die in tragbaren Netzanschlüssen, elektrischen Stromversorgungen von Kraftfahrzeugen, Kraft-Wärme-Kopplungssystemen von Häusern und dergleichen verwendet wird.
  • Hintergrund zum Stand der Technik
  • Eine Brennstoffzelle dient dazu, ein wasserstoffhaltiges Brenngas und ein sauerstoffhaltiges Oxydationsgas, wie zum Beispiel Luft, elektrochemisch miteinander reagieren zu lassen, um gleichzeitig elektrische Energie und Wärme zu erzeugen. In Bezug auf ihren Aufbau ist eine katalytische Reaktivschicht, die hauptsächlich aus Karbonpulver gebildet ist, die darauf einen Metallkatalysator auf Platinbasis trägt, auf beiden Oberflächen einer polyelektrolytischen Membran, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, ausgebildet. An einer Außenfläche der katalytischen Reaktivschicht ist eine Gasdiffusionsschicht (zum Beispiel Karbonpapier, Karbongewebe, usw.) ausgebildet, die sowohl Gasdurchlässigkeit als auch Elektronenleitfähigkeit besitzt. Diese Diffusionsschicht und die katalytische Reaktivschicht (Katalysatorschicht) sind verbunden, um Elektroden zur Verfügung zu stellen. Allgemein wird eine Elektrode, der Wasserstoff zugeführt wird, als Anode (Wasserstoffelektrode oder Brennstoffelektrode) bezeichnet, während eine Elektrode, der Sauerstoff zugeführt wird, Katode (Sauerstoffelektrode oder Luftelektrode) genannt wird.
  • Als nächstes ist ein Gasabdichtungsmaterial oder eine Gasdichtung um die Elektroden herum angeordnet, um die polyelektrolytische Membran dazwischen aufzunehmen, damit das zugeführte Brenngas oder Oxydationsgas nicht entweicht oder sich miteinander vermischt. Dieses Dichtungsmaterial oder diese Dichtung ist vorher mit den Elektroden und der polyelektrolytischen Membran integral zusammenzusetzen, wobei solch ein integrierter Aufbau MEA (Membran Elektrode Assembly (Membran-Elektroden-Anordnung)) genannt wird. An der Außenseite der MEA sind Separatoren angeordnet, um die MEA mechanisch zu fixieren und um benachbarte MEA's miteinander elektrisch in Reihe zu schalten. An Teilen jedes Separators, an denen er mit der MEA in Kontakt steht, sind Gasdurchgänge ausgebildet, um als Zuführung des Reaktivgases zu den Elektrodenoberflächen und zum Wegführen des erzeugten Gases und überschüssigen Gases zu dienen. Solche Gasdurchgänge können auch unabhängig von den Separatoren vorgesehen sein, es ist jedoch ein übliches Verfahren, dass ausgesparte Nutbereiche an den Oberflächen der Separatoren vorgesehen sind, um als Gasdurchgänge zu dienen.
  • Die Zuführung von Brenngas zu diesem ausgesparten Abschnitt erfordert Installationsvorrichtungen für Abzweigrohrleitungen zum Zweck der Brenngaszuführung in die Anzahl von verwendeten Separatoren und direkten Anschluss Ihrer Abzweigrichtungen an die ausgesparten Abschnitte, die für die Ausbildung von Gasdurchgängen der Separatoren genutzt werden. Diese Vorrichtungen werden Verteiler genannt, und eine Art von Ihnen, die direkt von der oben beschriebenen Brenngaszuführungsleitung angeschlossen ist, wird externer Verteiler genannt. Der Verteiler umfasst auch einen Typ, der interner Verteiler genannt wird, und einfacher in seiner Konstruktion ist. Der interne Verteiler bezieht sich auf solche, die so konstruiert sind, dass Brenngas direkt in eine in dem Separator vorgesehene Öffnung zugeführt wird, der darin ausgebildete Gasdurchgänge besitzt, wobei Einlass-/Auslassöffnungen der Gasdurchlässe zu der Öffnung nach oben führen.
  • Da die Brennstoffzelle während des Betriebes Wärme erzeugt, müssen die Zellen durch Kühlwasser oder dergleichen gekühlt werden, damit sie in einem erfolgreichen Temperaturzustand gehalten werden. Zwischen einem und einem anderen Separator ist normalerweise ein Kühlteil zum Abgeben eines Kühlwasserstromes in Einheiten von 1 bis 3 Zellen eingesetzt, wobei es oft der Fall ist, dass die Kühlwasserkanäle als Kühlteil in den hinteren Flächen der Separatoren vorgesehen sind, um das Kühlwasser bereit zu stellen. Diese MEA und der Separator und das Kühlteil sind abwechselnd übereinander gestapelt, bis zum Beispiel 10 bis 400 Zellen übereinander gestapelt sind, und danach wird der Stapel über eine Stromabnehmerplatte und eine Isolierplatte zwischen Endplatten geschichtet und des weiteren von beiden Enden mit Feststellschrauben befestigt. Dieses ist ein üblicher Aufbau der gestapelten Brennstoffzelle (d. h. des Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellen-Stacks)).
  • Der für solche Brennstoffzellen, z. B. PEFCs (Polymer Elektrolyt Fuel Cells (Polymerelektrolytbrennstoffzellen)) anzuwendende Separator muss hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Luftdichtigkeit gegen Brenngas und hohe Korrosionsbeständigkeit besitzen, d. h. Säurebeständigkeit gegen bei Oxydation-Reduktion von Wasserstoff/Sauerstoff involvierten Reaktionen. Deshalb werden bei der Herstellung von konventionellen Separatoren die Nutbereiche zum Ausbilden der Gaskanäle auf den Oberflächen einer Glaskarbonplatte oder harzimprägnierten Graphitplatte oder dergleichen durch Schneidbearbeitung ausgebildet, oder aufgeschäumtes Graphitpulver wird zusammen mit einem Bindemittel in eine Pressform eingesetzt, wobei die Nutbereiche zur Nutzung als Gaskanal darin ausgebildet und dann einer Pressformung und Wärmebehandlung oder dergleichen unterzogen werden.
  • In den letzten Jahren wurde auch ein Versuch zur Anwendung von rostfreien oder anderen Metallplatten anstelle des konventionell verwendeten Karbonmaterials gemacht. Im Fall eines Separators mit Verwendung einer Metallplatte kann bei Langzeitanwendung Korrosion oder Auflösung der Metallplatte auftreten, da die Metallplatte einer oxidativen Atmosphäre mit hoher Temperatur ausgesetzt ist. Korrosion der Metallplatte würde das Ansteigen des elektrischen Widerstandes des korrodierten Teiles bewirken, was zu einer geringeren Leistung der Zelle führt. Auch die Auflösung der Metallplatte würde das Diffundieren der gelösten Metallionen in den Polyelektrolyten bewirken, wobei solche Metallionen durch Ionenaustauscherseiten des Polyelektrolyten eingefangen werden. Infolge dessen würde die Ionenleitfähigkeit des Polyelektrolyten selbst herabgesetzt werden. Um solche Verschlechterungen zu vermeiden ist es übliche Praxis, dass die Oberfläche der Metallplatte bis zu einer gewissen Dicke vergoldet wird.
  • Bei den PEFC wird im allgemeinen praktiziert, dass ein Wasserstoff enthaltendes Gas als Brenngas oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas als ein Oxydationsgas mit Dampf vermischt und als solches zugeführt wird, so dass im Polyelektrolyten ionisierter Wasserstoff mobilisiert wird. Unter dessen, weil durch die Verbrennungsreaktion während der Energieerzeugung Feuchtigkeit (Dampf) erzeugt wird, strömt Dampf, der sich mit dem Brennstoff oder dem Oxydationsmittel und durch die Energieerzeugung produzierte Feuchtigkeit (Dampf) vermischt, durch den im Separator ausgebildeten kanalbildenden Nutbereich hindurch. Obwohl die Oberfläche des Separators in der Innenwandfläche des Nutbereiches grundsätzlich auf eine konstante Temperatur eingestellt wird, so dass Dampf oder erzeugter Dampf nicht mehr als notwendig kondensiert wird, würden immer noch Änderungen im Energieverbrauch der erzeugten Energie oder in der Brennstoffzuführung Veränderungen der Menge der erzeugten Wärme innerhalb der Brennstoffzelle bewirken, so dass die Innentemperatur verändert würde oder sich die Menge des erzeugten Wassers ändern würde.
  • Beispielsweise im Fall von niedrigerer Temperatur oder dergleichen, könnte die Separatoroberfläche (Innenwandfläche des Nutbereiches) mehr der Kondensation ausgesetzt sein, und es ist praktisch unmöglich, solch ein Phänomen vollständig zu eliminieren. Mit dem Auftreten von Kondensation besteht das Problem des Auftretens eines Spannungsinstabilitätsphänomens (Flooding (Flutung)), bei dem durch die Kondensation erzeugte Wassertropfen die Gaskanäle blockieren, was Unzulänglichkeiten der Brennstoffzuführung zu den Elektroden und dem stromabwärts von der Stelle der Blockade liegenden Katalysator bewirkt, wobei in diesem Fall die Spannung schrittweise abfällt, und der Austrag von Wassertropfen des Weiteren die Freigabe der Blockade der Gaskanäle bewirkt, so dass die Brennstoffzuführung wieder hergestellt wird, so dass die Spannung erhöht wird.
  • Als Material des konventionellen Brennstoffzellenseparators werden gewöhnlich impermeabel gemachte Stoffe verwendet, die aus Graphitblöcken, korrosionsgeschützten Metallen oder flüssigen harzhaltigen Stoffen hergestellt sind, die aus einem geschäumten Graphitplattenschichtstoffpressteil, das mit flüssigem Harz imprägniert und ausgehärtet ist, erhalten werden. Aus solchen Materialien hergestellte Separatoren haben jedoch schlechtes Wasseraufnahmevermögen. Deshalb wird konventionell ein Verfahren angewandt, das die Wasseraufnahmefähigkeit auf der Separatoroberfläche (d. h. der Innenwandfläche des Nutbereiches) verbessert, so dass der Kontaktwinkel zwischen innerhalb der Gaskanäle erzeugten Wassertropfen und den Innenwandflächen der Nutbereiche verringert wird, um das Wachsen der Wassertropfen, die die Gaskanäle blockieren, zu unterdrücken und dadurch die Blockierung der Kanäle zu verhindern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Eine derartige Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Wasseraufnahmefähigkeit ist jedoch vergleichsweise höher in den Bearbeitungskosten, der im Ergebnis ein Faktor wäre, der die Reduzierung der Produktionskosten für Brennstoffzellen verhindert. Des Weiteren unterliegt die durch die Oberflächenbehandlung verbesserte Wasseraufnahmefähigkeit bei der Benutzung der Brennstoffzelle einer zeitlichen Verschlechterung, was in Bezug auf die Beständigkeit der Wasseraufnahmefähigkeit problematisch ist.
  • Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die in der Lösung dieser und anderer Probleme liegt, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die die Blockade der Gaskanäle infolge von in den Gaskanälen des Separators erzeugtem Wasser vermeiden kann, so dass stabile Funktionsfähigkeit erreicht werden kann und die flutungsverhütende Fähigkeit verbessert werden kann.
  • Mittel zum Lösen der Sache
  • Um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, hat die vorliegende Erfindung die folgenden Strukturen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, umfassend:
    eine Membranelektrodenanordnung, die ein Verbundelement einer Polyelektrolytmembran ist, wobei Katalysatorschichten so angeordnet sind, dass die Polyelektrolytmembran dazwischen liegt, und Gasdiffusionsschichten jeweils außen von den Katalysatorschichten angeordnet sind, und in der Anoden- und Katodenelektroden ausgebildet sind; und
    ein Paar von Separatoren, in denen Gaskanalnutbereiche so ausgebildet sind, dass ihre Oberflächen in Kontakt mit den Gasdiffusionsschichten gebracht werden, um einen Gaskanal zu bilden, und die so angeordnet sind, dass die Membranelektrodenanordnung dazwischen liegt, wobei
    in jedem der Separatoren
    der Gaskanal mehrere, im wesentlichen lineare Kanalabschnitte umfasst, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und mehrere gebogene Kanalabschnitte, die Endabschnitte der linearen Kanäle mit Endabschnitten ihrer benachbarten linearen Kanalabschnitten verbinden, wobei die Gaskanalnutbereiche so ausgebildet sind, dass sie von einer Gaszuführungsöffnung zu einer Austragsöffnung in Verbindung stehen, und bei dem
    in Innenwandflächen der Gaskanalnutbereiche, die jeweils die linearen Kanalabschnitte bilden, Wasserrückhaltenutbereiche zum Zurückhalten von mindestens einem Teil des in dem Gaskanal erzeugten Wassers in ihrem Inneren so ausgebildet sind, dass eine rinnenförmige Struktur ausgebildet ist, so dass sie im wesentlichen entlang des linearen Kanalabschnitts fortlaufend ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche in den Gaskanalnutbereichen, die jeweils die linearen Kanalabschnitte bilden, so ausgebildet sind, dass sie nicht mit der Austragsöffnung in Verbindung stehen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche so ausgebildet sind, dass sie zwischen ihren beiden Endabschnitten in jedem der linearen Kanalabschnitte fortgesetzt werden, und die Wasserrückhaltenutbereiche durch die gebogenen Kanalabschnitte unterbrochen sind.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche jeweils in Bodenbereichen der Gaskanalnutbereiche ausgebildet sind.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem vierten Aspekt vorgesehen, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche jeweils in im wesentlichen mittigen Bereichen der Bodenbereiche ausgebildet sind.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche so ausgebildet sind, dass sie durch Herstellen eines Kontaktes eines innerhalb der Gaskanalnutbereiche erzeugten Wassertropfens mit dem zurückgehaltenen Wasser zum Verringern eines Kontaktwinkels zwischen einer Innenwandfläche der Gaskanalnutbereiche und dem Wassertropfen wirksam sind.
  • Gemäß einem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche so ausgebildet sind, dass sie jeweils eine Breite besitzen, die in einen Bereich von 1/2 bis ein 1/10 einer Breite von jedem der Nutbereiche fällt.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung bilden die Innenwandflächen der Nutbereiche der Separatoren die linearen Kanalabschnitte in den Gaskanälen, Wasserrückhaltenutbereiche, die mindestens einen Teil des in den Gaskanälen gebildeten Wassers zurückhalten können, sind so ausgebildet, dass eine rinnenförmige Struktur ausgebildet wird, so dass sie im wesentlichen entlang den linearen Kanalabschnitten fortlaufend sind. Durch Übernahme dieser Konstruktion kann, wenn ein innerhalb des Gaskanals infolge der Kondensation von Gas oder dergleichen erzeugter Wassertropfen während seines Wachstumsprozesses in Kontakt mit zurückgehaltenem Wasser innerhalb der Wasserrückhaltenutbereiche kommt, das zum Blockieren des Gaskanals ausreichende Wachsen des Wassertropfens gehemmt werden. Deshalb kann die Blockade der Gaskanäle infolge einer solchen Erzeugung von Wassertropfen und Ihres Wachstums zuverlässig vermieden werden, so dass eine stabile Gaszuführung realisiert werden kann. Somit kann eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden, die in der Lage ist, ihre flutungsverhütende Fähigkeit zu verbessern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen:
  • 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Konstruktion einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 eine schematische, auseinander gezogene Darstellung ist, die eine Konstruktion des Stapels in der Brennstoffzelle der 1 zeigt;
  • 3A eine Schnittansicht einer Einheitszelle ist, die den Stapel der 2 bildet, gesehen entlang der Pfeile B-B;
  • 3B eine Schnittansicht der Einheitszelle der 3A entlang der Linie A-A ist;
  • 4 eine teilweise vergrößerte schematische Schnittansicht der Einheitszelle der 3B;
  • 5A eine schematische erläuternde Ansicht zur Erläuterung eines Zustandes der Wasserabstoßung ist;
  • 5B eine schematische erläuternde Ansicht zur Erläuterung eines Zustandes der Hydrophilie ist;
  • 6A eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachsens eines Wassertropfens in einem Gaskanal, der keinen kleinen Nutbereich gemäß einem Vergleichsbeispiel der Ausführungsform besitzt, die einen Zustand zeigt, in der kein Wassertropfen im Gaskanal erzeugt wurde;
  • 6B eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens als Nachfolger von 6A ist, die einen Zustand zeigt, in dem ein Wassertropfen in dem Gaskanal erzeugt wurde;
  • 6C eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens als Nachfolger von 6B ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen stark gewachsen ist;
  • 6D eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens als Nachfolger von 6C ist, die einen Zustand zeigt, in dem der gewachsene Wassertropfen den Gaskanal blockiert hat;
  • 6E eine schematische erläuternde Ansicht ist, die den Wachstumsprozess eines Wassertropfens der 6A bis 6D entlang des Bewegungspfades des Wassertropfens entlang der Strömungsrichtung des Gaskanals zeigt;
  • 7A eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens in dem Gaskanal ist, der einen kleinen Nutbereich in der Ausführungsform besitzt, die einen Zustand zeigt, in dem Wasser in dem kleinen Nutbereich in dem Gaskanal zurückgehalten wird und darüber hinaus kein Wassertropfen erzeugt wurde;
  • 7B eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens als Nachfolger von 7A ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen in dem Gaskanal erzeugt wurde;
  • 7C eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens als Nachfolger von 7B ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen stark gewachsen ist;
  • 7D eine schematische erläuternde Ansicht zum Erläutern des Wachstums eines Wassertropfens als Nachfolger von 7C ist, die einen Zustand zeigt, in dem der gewachsene Wassertropfen, der in Kontakt mit dem in dem kleinen Nutbereich zurückgehaltenen Wasser steht, in einen hydrophilen Zustand gebracht wird, wobei sein Wachstum unterdrück wird;
  • 7E eine schematische erläuternde Ansicht ist, die den Wachstums- und Wachstumsunterdrückungsprozess eines Wassertropfens in den 7A bis 7D entlang des Bewegungspfades des Wassertropfens in die Strömungsrichtung des Gaskanals zeigt;
  • 8A eine teilweise vergrößerte schematische Draufsicht eines Verteilers in der Nähe eines Brenngasauslasses in dem Separator der Ausführungsform ist;
  • 8B eine schematische Schnittansicht des Separators der 8A entlang der Linie C-C ist;
  • 9A eine schematische Draufsicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem mehrere kleine Nutbereiche im wesentlichen fortlaufend in dem Gaskanal der Ausführungsform sind;
  • 9B eine schematische Schnittansicht des Gaskanals der 9A entlang der Linie D-D ist;
  • 10A eine schematische Draufsicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem mehrere kleine Nutbereiche im wesentlichen nicht fortlaufend in dem Gaskanal sind;
  • 10B eine schematische Schnittansicht des Gaskanals der 10A entlang der Linie E-E ist;
  • 11A eine Schnittansicht einer Einheitszelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, gesehen in Richtung der Pfeile G-G;
  • 11B eine Schnittansicht der Einheitszelle von 11A entlang der Linie F-F gesehen ist;
  • 12A eine Schnittansicht einer Einheitszelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung entlang der Pfeile I-I gesehen ist;
  • 12B eine Schnittansicht der Einheitszelle von 12A entlang der Linie H-H gesehen ist;
  • 13A eine Schnittansicht einer Einheitszelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung entlang der Pfeile K-K gesehen ist;
  • 13B eine Schnittansicht der Einheitszelle von 13A entlang der Linie J-J gesehen ist;
  • 14A eine teilweise vergrößerte schematische Schnittansicht einer Einheitszelle gemäß einer Modifikation der Ausführungsform ist, die einen Gaskanal zeigt, der zwei darin ausgebildete kleine Nutbereiche besitzt;
  • 14B eine schematische erläuternde Ansicht eines Prozesses ist, bei dem das Wachstum des Wassertropfens in dem Gaskanal der 14A unterdrückt wird, die einen Zustand zeigt, in dem Wasser in zwei kleinen Nutbereichen zurückgehalten wird;
  • 14C eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 14B ist, die einen Zustand zeigt, in dem Wassertropfen in dem Gaskanal erzeugt wurden;
  • 14D eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 14C ist, die einen Zustand zeigt, in dem die Wassertropfen in Kontakt mit dem in den zwei kleinen Nutbereichen zurückgehaltenem Wasser ist;
  • 14E eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 14D ist, die einen Zustand zeigt, in dem die Wassertropfen in einen hydrophilen Zustand gebracht wurden;
  • 15A eine teilweise vergrößerte schematische Schnittansicht einer Einheitszelle gemäß einer Modifikation der Ausführungsform ist, die kleine Nutbereiche zeigen, die einen geneigten Querschnitt und einen Gaskanal besitzen;
  • 15B eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses im Gaskanal von 15A ist, die einen Zustand zeigt, in dem Wasser in dem kleinen Nutbereich zurückgehalten wird;
  • 15C eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 15B ist, die einen Zustand zeigt, in dem ein Wassertropfen in dem Gaskanal erzeugt wurde;
  • 15D eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 15C ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen in Kontakt mit dem in dem kleinen Nutbereich zurückgehaltenen Wasser ist;
  • 15E eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 15D ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen in einen hydrophilen Zustand gebracht wurde;
  • 16A eine teilweise vergrößerte schematische Schnittansicht einer Einheitszelle gemäß einer Modifikation der Ausführungsform ist, die einen Gaskanal zeigt, in dem kleine Nutbereiche, die an ihren Eckbereichen gekrümmte Oberflächen besitzen, ausgebildet sind;
  • 16B eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses im Gaskanal von 16A ist, die einen Zustand zeigt, in dem Wasser in dem kleinen Nutbereich zurückgehalten wird;
  • 16C eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 16B ist, die einen Zustand zeigt, in dem ein Wassertropfen in dem Gaskanal erzeugt wurde;
  • 16D eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 16C ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen in Kontakt mit dem in dem kleinen Nutbereich zurückgehaltenen Wasser ist;
  • 16E eine schematische erläuternde Ansicht eines Wassertropfenwachstumsunterdrückungsprozesses als Nachfolger von 16D ist, die einen Zustand zeigt, in dem der Wassertropfen in einen hydrophilen Zustand gebracht wurde;
  • 17A eine schematische Schnittansicht eines Gaskanals ist, die eine Form eines kleinen Nutbereiches gemäß einer Modifikation der Ausführungsform zeigt, die einen kleinen Nutbereich zeigt, der eine Innenwandfläche besitzt, die in eine gekrümmte Oberfläche geformt wurde;
  • 17B eine schematische Schnittansicht eines Gaskanals ist, die eine Form eines kleinen Nutbereiches gemäß einer Modifikation der Ausführungsform zeigt, die einen kleinen Nutbereich zeigt, der einen V-förmigen Querschnitt besitzt;
  • 17C eine schematische Schnittansicht eines Gaskanals ist, der eine Form eines kleines Nutbereiches gemäß einer Modifikation der Ausführungsform zeigt, die einen kleinen Nutbereich zeigt, der in einem Bodenbereich des Gaskanals erhöht ist; und
  • 17D eine schematische Schnittansicht eines Gaskanals ist, die eine Form eines kleinen Nutbereiches gemäß einer Modifikation der Ausführungsform zeigt, die einen kleinen Nutbereich zeigt, der einen zweistufigen Aufbau besitzt.
  • Beste Art zur Ausführung der Erfindung
  • Bevor die Beschreibung der vorlegenden Erfindung fortgesetzt wird, ist anzumerken, dass in allen beigefügten Zeichnungen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind.
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • (Ausführungsform)
  • Eine schematische konstruktionstechnische Ansicht, die einen schematischen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, ist in 1 dargestellt. Eine schematische auseinander gezogene Ansicht eines in der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 101 enthaltenen Brennstoffzellenstapels (nachfolgend als Stack bezeichnet), ist in 2 gezeigt.
  • Die Brennstoffzelle 101 ist zum Beispiel eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC), die wirksam ist, um ein wasserstoffhaltiges Brenngas und ein sauerstoffhaltiges Oxydationsgas, wie zum Beispiel Luft, elektrochemisch miteinander reagieren zu lassen, um gleichzeitig elektrische Energie, Wärme und Wasser zu erzeugen. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Brennstoffzelle 101 einen Stack 30, der einen übereinander gestapelten Schichtaufbau besitzt, bei dem eine Vielzahl von als Zellen benutzten Brennstoffzellen (oder Einheitszellen), die jeweils ein Anoden- und Katodenpaar von Elektroden besitzen, in Reihe geschaltet sind, eine Brennstoffbehandlungseinheit 31 zum Extrahieren von Wasserstoff aus Brenngas, einen Anodenbefeuchter 32 zum Befeuchten des durch die Brennstoffbehandlungseinheit 31 extrahierten wasserstoffhaltigen Brenngases zur Verbesserung des Energieerzeugungswirkungsgrades, einen Katodenbefeuchter 33 zum Befeuchten von sauerstoffhaltigem Gas (Oxydationsgas) und Pumpen 34, 35 zum Zuführen von Brenngas bzw. sauerstoffhaltigem Gas. Das heißt, die Brennstoffbehandlungseinheit 31, der Anodenbefeuchter 32 und die Pumpe 34 bilden eine Brennstoffzuführungseinheit zum Zuführen des Brenngases zu den einzelnen Zellen des Stacks 30, während der Katodenbefeuchter 33 und die Pumpe 35 eine Oxydationsmittelzuführungseinheit zum Zuführen von Oxydationsgas zu den einzelnen Zellen des Stacks 30 bilden. Es ist anzumerken, dass die Brennstoffzuführungseinheit und die Oxydationsmittelzuführungseinheit, wie sie oben dargestellt sind, auch in anderen verschiedenen Arten vorgesehen werden können, wenn sie nur die Funktion des Zuführens des Brennstoffes oder des Oxydationsmittels erfüllen.
  • Die Brennstoffzelle 101 umfasst außerdem eine Pumpe 36 zum zirkulierenden Zuführen von Kühlwasser zum Zweck des effizienten Ableitens von während der Energieerzeugung im Stack 30 erzeugter Wärme, einen Wärmetauscher 37, um die durch das Kühlwasser (z. B. eine Flüssigkeit, die keine elektrische Leitfähigkeit wie pures Wasser besitzt) abgeleitete Wärme einem Wärmeaustausch mit einem Fluid, wie zum Beispiel Leitungswasser, zu unterwerfen, und einen Heiß wasserspeicherbehälter 38 zum Speichern von dem Wärmeaustausch unterworfenem Leitungswasser darin.
  • Die Brennstoffzelle 101 hat außerdem eine Ablaufsteuerungseinheit 40 zum Ausführen der Ablaufsteuerung zum Zweck der Energieerzeugung, während jene einzelnen, Bestandteile miteinander verbunden gehalten werden, und eine Elektrizitätsausgabeeinheit 41 zum Gewinnen von in dem Stack 30 erzeugter Elektrizität.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird der in der Brennstoffzelle 101 enthaltene Stack 30 durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (oder Zellen) 20 gebildet, die jeweils eine Grundeinheitskonstruktion bilden, und durch Festziehen von Stromsammelplatten 21, Isolierplatten 22 und Endplatten 23 von beiden Seiten des Stacks mit einer vorgeschriebenen Kraft. Jede der Stromsammelplatten 21 hat ein Stromentnahmeklemmenteil 21a, von dem während der Stromerzeugung ein elektrischer Strom, d. h. Elektrizität abgenommen wird. Die Isolierplatten 22 isolieren jeweils die Stromsammelplatten 21 und die Endplatten 23 voneinander und können in einigen Fällen jeweils mit nicht gezeigter Zuführungsöffnung und Austragsöffnung für Gas und Kühlwasser ausgebildet sein. Die Endplatten 23 spannen und halten die Vielzahl von gestapelten Einheitszellen 20, die Stromsammelplatten 21 und die Isolierplatten 22 mit Hilfe von nicht gezeigten druckbeaufschlagenden Mitteln mit einer vorgeschriebenen Kraft.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist die oder jede Einheitszelle 20 durch Beschichten einer MEA (Membran Electrode Assembly (Membranelektrodenanordnung)) 10 mit einem Paar Separatoren 1 und 41 hergestellt. Die MEA 10 wird zum Beispiel durch die Schritte des Ausbildens einer katalytischen Schicht (anodenseitige katalytische Schicht) 12, die hauptsächlich aus Karbonpulver, das darauf einen Platin-Ruthenium-Legierungskatalysator auf der Anodenseite einer Polyelektrolytmembran 11 trägt, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, Ausbilden einer katalytischen Schicht (katodenseitige katalytische Schicht) 13, die hauptsächlich aus Karbonpulver gebildet wird, das darauf einen Platinkatalysator auf der Katodenseite trägt, und Anordnen von Gasdiffusionsschichten 14 auf den Außenflächen jener katalytischen Schichten 12 und 13, die sowohl Brenngas-(Brennfluid-) oder Oxydationsgasdurchlässigkeit als auch Elektronenleitfähigkeit besit zen, gebildet. Für die Polyelektrolytmembran 11 wird gewöhnlich festes Polymermaterial verwendet, das Protonenleitfähigkeit aufweist, zum Beispiel Perfluorsulfonsäuremembran (z. B. von DuPont hergestellte Nafionmembran).
  • Jeder der Separatoren 11 und 41 muss nur aus einem gasundurchlässigen, leitfähigen Material hergestellt sein, und zum Beispiel aus solchen Materialien, wie ein harzimprägniertes Karbonmaterial, das in eine vorgegebene Konfiguration geschnitten wurde, oder auch Formteile aus einer Mischung von Karbonpulver und Harzmaterial werden gewöhnlich verwendet. In Oberflächen der Separatoren 11 bzw. 41 werden ausgesparte Nutbereiche ausgebildet, an denen sie die MEA 10 berühren. Der Kontakt der Nutbereiche mit der Gasdiffusionsschicht 14 bildet Gaskanäle zum Zuführen des Brenngases oder des Oxydationsgases zu den Elektrodenoberflächen und zum Ableiten von allem überschüssigen Gas.
  • In 3B ist nun eine schematische Schnittansicht dargestellt, die die Konstruktion der in solch einem Stack 30 enthaltenen Einheitszelle 20, wie oben dargestellt, zeigt, während eine Ansicht entlang der Pfeile B-B in 3B in 3A gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf diese Figuren wird nachfolgend eine detaillierte Konstruktion des Separators beschrieben, in dem ein Nutbereich, der den Gaskanal bildet, ausgebildet ist. Außerdem ist 3B auch eine schematische Schnittansicht des Querschnittes entlang der Linie A-A in 3A, und 3A ist eine Ansicht, die nur den anodenseitigen Separator 1 aus den anodenseitigen Separatoren 1 und den katodenseitigen Separatoren 41, die in der in 3B gezeigten Einheitszelle 20 enthalten sind, zeigt.
  • Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, ist zum Beispiel auf der Oberfläche des anodenseitigen Separators 1 ein ausgesparter Nutbereich 3 zum Ausbilden eines Gaskanals 2 vom Einlass zum Auslass in solch einer Serpentinenform ausgebildet, dass mehrmals Richtungsänderungen in Links- und Rechtsrichtung stattfinden, wie in den Figuren zu sehen ist. Der Serpentinennutbereich 3 wird aus einer Vielzahl linearer Nutbereiche 3a, die grundsätzlich linear und parallel zueinander in Links-Rechts-Richtung angeordnet sind, und eine Vielzahl von gebogenen Nutbereichen (oder als Verbindung genutzte Nutbereiche) 3b zum Verbinden der Endabschnitte von benachbarten linearen Nutbereichen 3a miteinander, so dass die Kanäle miteinander kommunizieren, während ihre Strömungs richtung in die Links- und Rechts-Richtung, wie in den Figuren, umgekehrt wird. Dass heißt, der Brenngaskanal 2 wird als ein fortgesetzter, vom Einlass zum Auslass laufender Kanal durch eine Vielzahl von im Wesentlichen linearen Kanalbereichen 2a, die von einer Vielzahl parallel angeordneter linearer Nutbereiche 3a gebildet werden, und gebogener Kanalbereiche 2b, gebildet von einer Vielzahl gebogener Nutbereiche 3b und Umlenken und Umkehren der Strömungsrichtung von benachbarten linearen Kanalbereichen 2a gebildet, während ermöglicht wird, dass ihre Endabschnitte miteinander kommunizieren.
  • In dem anodenseitigen Separator 1 sind auch Verteiler an den äußeren Randteilen des Bereiches, über dem der Gaskanal 2 ausgebildet ist, ausgebildet, die Durchgangslöcher für die Zuführung und den Austrag des Brenngases und des Oxydationsgases zur und von der Einheitszelle 20 sind. Insbesondere sind ein Brenngaseinlassverteiler 24, ein Brenngasauslassverteiler 25, ein Oxydationsgaseinlassverteiler 26 und ein Oxydationsgasauslassverteiler 27 ausgebildet, und darüber hinaus sind ein Kühlwassereinlassverteiler 28 zum Hindurchführen von Kühlwasser zur effizienten Ableitung von während der Stromerzeugung in den einzelnen Einheitszellen 20 erzeugter Wärme als auch ein Kühlwasserauslassverteiler 29 ausgebildet. In der Brennstoffzelle 101, in der eine Vielzahl von Einheitszellen 20 gestapelt ist, sind der Brenngaseinlassverteiler 24, der Brenngasauslassverteiler 25, der Oxydationsgaseinlassverteiler 26, der Oxydationsgasauslassverteiler 27, der Kühlwassereinlassverteiler 28 und der Kühlwasserauslassverteiler 29 so angeordnet, dass sie mit ihren Entsprechungen in ihrer Stapelrichtung durch alle Einheitszellen 20 hindurch verbunden sind. Es ist anzumerken, dass nicht dargestellte Dichtungselemente in den einzelnen Separatoren 1 und 41, den Stromsammelplatten 21, den Isolierplatten 22 und den Endplatten 23 eingesetzt sind, so dass verhindert werden kann, dass sich das Brenngas und das Oxydationsgas miteinander vermischen oder nach Außen entweichen.
  • In dem anodenseitigen Separator 1 sind eine Reihe von Nutbereichen 3 ausgebildet, die jeweils aus den linearen Nutbereichen 3a und den gebogenen Nutbereichen 3b gebildet werden, um eine Verbindung vom Brenngaseinlassverteiler 24 zum Brenngasauslassverteiler 25 herzustellen, durch die der mit beiden Verteilern 24, 25 verbundene fortlaufende Gaskanal 2 ausgebildet wird.
  • In 4 ist nun eine schematische vergrößerte Schnittansicht des in der Oberfläche des Separators 1 ausgebildeten Nutbereichs 3 gezeigt.
  • Wie in 4 gezeigt ist, sind kleine Nutbereiche (oder schmale Nutbereiche) 5, die ausgesparte Nutbereiche sind, die im Vergleich mit den Nutbereichen 3 klein genug sind, in einem Bodenbereich der Innenwandfläche (Innenumfangsfläche) des Nutbereiches 3 ausgebildet. Diese kleinen Nutbereiche 5 sind zum Beispiel jeweils im Wesentlichen mittig im Bodenbereich ausgebildet, so dass sich eine im Wesentlichen lineare Form in Fortsetzung von einem Ende jedes linearen Nutbereiches 3a zum anderen Ende erstreckt, wie es in 3A gezeigt ist. Die kleinen Nutbereiche 5 sind nur an den einzelnen linearen Nutbereichen 3a ausgebildet und sind nicht an den einzelnen gebogenen Nutbereichen 3b ausgebildet. Dass heißt, in dem Gaskanal 2 sind die kleinen Nutbereiche 5 an den im Wesentlichen linearen Kanalbereichen 2a ausgebildet, so dass sie sich über die Gesamtheit von einem Ende zum anderen Ende fortsetzen, und die einzelnen kleinen Nutbereiche 5 sind nicht miteinander verbunden, sondern sind an den einzelnen gebogenen Kanalbereichen 2b getrennt und unterbrochen, wodurch die einzelnen linearen Kanalbereiche 2a dazwischen an ihren Endbereichen verbunden sind.
  • Diese kleinen Nutbereiche 5 sind in der Lage, Wasser (erzeugtes Wasser) innerhalb der kleinen Nutbereiche 5 zurückzuhalten, wenn im Brenngas und dergleichen enthaltene Wassergehalte (Dampf) in Folge von Temperaturänderungen der Separatoren 1 oder dergleichen während der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 101 in Wassertropfen kondensiert werden. Dass heißt, da die kleinen Nutbereiche 5 nicht bis zum Brenngasauslassverteiler 25 fortlaufend (verbunden) sind, sondern an den einzelnen gebogenen Kanalbereichen 2b getrennt und unterbrochen sind, kann das in die kleinen Nutbereiche 5 eingetretene Wasser in den kleinen Nutbereichen 5 zurückgehalten werden ohne durch den Brenngasstrom zum Auslass getrieben und insgesamt ausgetragen zu werden. Bezüglich solch einer Wasserrückhaltefunktion der kleinen Nutbereiche 5 können die kleinen Nutbereiche 5 als ein Beispiel eines Wasserrückhaltenutbereiches oder eines Wasserrückhaltebereiches bezeichnet werden. Im Fall des Stacks 30 dieser Ausführungsform können in dem Kanal 2 erzeugte Wassertropfen, während Wasser in den kleinen Nutbereichen 5 durch Anwendung der kleinen Nutbereiche 5 mit solch einer Wasserrückhaltefunktion zurückgehalten wird, in Kontakt mit dem in den kleinen Nutbereichen 5 zurückgehaltenen Wasser gebracht werden, so dass die umgebende Innenwandfläche einschließlich der kleinen Nutbereiche 5 in einen Hydrophilie-verleihenden Zustand gebracht werden kann. Infolgedessen wird das Wachsen der Wassertropfen auf eine Größe, die den Gaskanal 2 blockiert, unterdrückt.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachfolgend das Prinzip zum Unterdrücken der Blockade des Gaskanals 2 durch die kleinen Nutbereiche 5 beschrieben, das der näheren Umgebung der kleinen Nutbereiche 5 Hydrophilie verleiht. Für diese Erläuterung werden zuerst die Bedeutungen der Begriffe Hydrophilie und Wasserabweisungsvermögen erläutert. In einem Fall, in dem eine Elementoberfläche S1 Wasserabweisung besitzt, wie in 5A gezeigt, bleibt ein Wassertropfen W1, der an der Elementoberfläche S1 haftet, fast kugelförmig. In diesem Fall wird ein Winkel, in dem der Wassertropfen W1 Kontakt mit der Elementoberfläche S1 herstellt, gewöhnlich als ein Kontaktwinkel θ bezeichnet, wobei die Elementoberfläche S1 um so höheres Wasserabweisungsvermögen besitzt, je mehr der Kontaktwinkel θ sich grenzenlos 180° annähert (d. h., ein Zustand von Super-Wasserabweisungsvermögen). Im Gegensatz dazu bleibt ein Wassertropfen W2, der an der Elementoberfläche S2 haftet, in einem Fall, in dem eine Elementoberfläche S2 Hydrophilie besitzt, wie in 5B gezeigt, so geformt, dass er entlang der Oberfläche S2 gestreckt wird. In solch einem Zustand wird der Kontaktwinkel θ beispielsweise 40° oder weniger, wobei die Hydrophilie der Elementoberfläche S2 umso höher ist, je mehr sich der Winkel grenzenlos 0° annähert (d. h. ein Zustand von Super-Wasserabweisungsvermögen). Im Allgemeinen wird ein Zustand, in dem der Kontaktwinkel Φ 40° oder weniger beträgt, hydrophil genannt. In einem Vergleich zwischen der Form des Wassertropfens W1, der in einem wasserabstoßenden Zustand der 5A anhaftet, und der Form des Wassertropfens W2, der in einem hydrophilen Zustand der 5B anhaftet, ist der Wassertropfen W1 in dem wasserabweisenden Zustand in der Höhe größer, so dass der Kontaktbereich mit der Elementoberfläche S1 der geringstmögliche wird, während der Wassertropfen W2 im hydrophilen Zustand in der Höhe geringer ist, so dass sein Kontaktbereich mit der Elementoberfläche S2 größer wird.
  • Da der Separator 1 wie oben beschrieben aus einem Karbonmaterial ausgebildet ist, haben die Innenwandflächen seiner Nutbereiche 3 Wasserabweisungsvermögen. Deshalb haftet zum Beispiel in einem angenommenen Fall, in dem in einem konventionellen Separator 1, wie in der schematischen erläuternden Ansicht von 6A gezeigt ist, ein Gaskanal 502 aus Nutbereichen 503 ausgebildetist, die keine darin ausgebildeten kleinen Nutbereiche 5 besitzen, ein kleiner, in dem Gaskanal 502 in 6B erzeugter Wassertropfen W3 an der Innenwandoberflache (in der Figur eine untere Wandfläche), die Wasserabweisungsvermögen innerhalb des Nutbereiches 503 besitzt, in solch einem angeschwollenen Zustand, dass sein Kontaktbereich kleiner wird. Der Wassertropfen W3 wächst zusammen mit dem Fortschreiten der Kondensation, während er durch den Brenngasstrom mit der Strömung vorwärts gedrückt wird, wie es in einer Gaskanaldraufsicht der 6E gezeigt ist. Wie in den 6C und 6D gezeigt ist, ist der Wassertropfen W3 infolgedessen bis auf eine solche Größe gewachsen, dass der Gaskanal 502 blockiert wird, so dass der Gaskanal 502 schließlich durch den Wassertropfen W3 blockiert ist.
  • Im Gegensatz dazu, wie bei dem Separator 1 dieser Ausführungsform, bei dem die kleinen Nutbereiche 5 innerhalb der Nutbereiche 3 ausgebildet sind und in dem die kleinen Nutbereiche 5 eine Wasserrückhaltefunktion zum Zurückhalten von Wasser in ihrem Inneren haben, wenn ein Wassertropfen W4 zum Beispiel an einer von dem kleinen Nutbereich 5 in dem Gaskanal 2 beabstandeten Position erzeugt wird, wie in 7B gezeigt, während das Wasser W in dem kleinen Nutbereich 5 wie in 7A gezeigt zurückgehalten wird, dann wächst der Wassertropfen W4, während er durch den Brenngasstrom mit der Strömung geschoben wird, allmählich, so dass er mit dem Fortschreiten der Kondensation wie in 7E gezeigt (siehe 7B und 7C) größer wird. Dann, wenn der Wassertropfen W4 groß genug ist, um Kontakt mit dem in dem kleinen Nutbereich 5 zurückgehaltenen Wasser W herzustellen, um mit dem Wasser W in Kontakt zu sein, expandiert das den Wassertropfen W bildende Wasser entlang der Oberfläche des zurückgehaltenen Wassers W, was zu einem Phänomen führt, das mit einem Vorgang äquivalent ist, dass der Oberfläche des Wassers W und der Umgebung und Nähe des kleinen Nutbereiches 5 Hydrophilie verliehen wird. Infolge dessen wird das Wachstum des Wassertropfens W4 unterdrückt und darüber hinaus in der Form verändert, so dass er sich entlang der Innenwandoberfläche streckt, so dass die Blockade des Gaskanals 2 unterdrückt wird. Das heißt, der kleine Nutbereich 5, der die Wasserrückhaltefunktion hat, hat die Funktion, das zurückgehaltene Wasser in Kontakt mit dem innerhalb des Gaskanals 2 erzeugten Wassertropfen zu bringen, um hierdurch dem Teil der Innenwandoberfläche der Nutbereiche 3, die den Gaskanal 2 bilden (d. h., Oberfläche des in den kleinen Nutbereichen 5 zurückgehaltenen Wassers als auch seine Umgebungen), Hydrophilie zu verleihen. Es ist anzumerken, dass der Pfeil F in den 6E und 7E die Gasströmungsrichtung in dem Gaskanal angibt.
  • Somit wird in dem Gaskanal 2, der keiner hydrophilen Behandlung unterworfen wurde, ein Wassertropfen, der auf eine bestimmte Größe gewachsen ist, in einen hydrophilen Zustand transformiert, damit er nicht mehr wächst, wodurch die Blockade des Gaskanals 2 verhindert werden kann. Des Weiteren wird das Wasser (der Wassertropfen), das in einen hydrophilen Zustand wie oben gezeigt transformiert wurde, mit der Strömung entlang den kleinen Nutbereichen 5 und den Innwandoberflächen seiner Ränder und Umgebungen entsprechend der Brenngasströmung geschoben, und somit durch den Brenngasauslassverteiler 25 ausgetragen.
  • Jene kleinen Nutbereiche sind nicht nur in dem anodenseitigen Separator 1 ausgebildet, sondern auch in dem katodenseitigen Separator 41. Wie in den 3A, 3B und 4 gezeigt ist, ist in dem katodenseitigen Separator 41 insbesondere ein fortlaufender Oxydationsgaskanal 42 vom Oxydationsgaseinlassverteiler 26 zum Oxydationsgasauslassverteiler 27 ausgebildet, und der Oxydationsgaskanal 42 ist durch Kombinieren von linearen Kanalbereichen 42a und gebogenen Kanalbereichen 42b gebildet. Des weiteren bestehen die Nutbereiche 43, die den Oxydationsgaskanal 42 bilden, aus linearen Nutbereichen 43a und gebogenen Nutbereichen 43b, und ein kleiner Nutbereich 45 ist an einem Bodenmittelpunkt der Innenwandfläche jedes linearen Nutbereiches 43a ausgebildet. Dieser kleine Nutbereich 45 ist von einem Ende zum anderen Ende der linearen Nutbereiche 43a fortlaufend ausgebildet und nicht an den gebogenen Nutbereichen 43b ausgebildet. Somit sind auch in dem katodenseitigen Separator 41 die kleinen Nutbereiche 45 innerhalb des Oxydationsgaskanals 42 ausgebildet, so dass ein innerhalb des Oxydationsgaskanals infolge der Kondensation von in dem Oxydationsgas oder dergleichen enthaltener Feuchtigkeit erzeugter Wassertropfen in Kontakt mit dem in den kleinen Nutbereichen 45 zurückgehaltenen Wasser gebracht werden kann, wodurch das Wachsen des Wassertropfens unterdrückt werden kann, bevor der Tropfen auf eine Größe wächst, die ausreicht, um den Gaskanal 42 zu blockieren. Somit kann das Auftreten von einer Kanalblockade verhindert werden.
  • Jene kleinen Nutbereiche 5, 45, wie sie oben gezeigt sind, werden vorzugsweise in solcher Größe und Form ausgebildet, dass mit einem Teil der kleinen Nutbereiche 5, 45 in Kontakt stehendes Wasser angesaugt und angezogen und innen zurückgehalten wird, zum Beispiel durch Nutzung eines Kapillarphänomens, und außerdem verdampft das einmal eingeschlossene Wasser selbst durch Gasdurchgang nicht, kann jedoch darin festegehalten werden. Als ein Beispiel ist es zu bevorzugen, dass der kleine Nutbereich 5, 45 so ausgebildet ist, dass er eine Breite w von 0,2 mm und eine Tiefe d von 0,2 mm besitzt, während der Nutbereich 3, 43 eine Breite W von 1 mm und eine Tiefe D von 1 mm besitzt. Insbesondere ist es wünschenswert, die Breite wdes kleinen Nutbereiches 5, 45 auf die Hälfte oder weniger der Breite W des Nutbereiches 3, 43 zu setzen, und noch bevorzugter auf eine Länge innerhalb eines Bereiches von 1/2 bis 1/10 der Breite W. Obwohl jene kleinen Nutbereiche 5, 45 an jeder Stelle der Innenwandflächen der Nutbereiche 3, 43 ausgebildet werden können, werden die kleinen Nutbereiche 5, 45 jedoch zum Beispiel vorzugsweise in Nähe der Bodenmitten der Nutbereiche 3, 43 ausgebildet, wie es in 4 gezeigt ist, um das Wachsen der Wassertropfen auf Größen von mehr als ungefähr die Hälfte der Querschnitte der Gaskanäle 2, 42 zu unterdrücken.
  • Wie außerdem in 8A gezeigt ist, die eine teilweise vergrößerte schematische Draufsicht eines Nutbereiches 3 in Nähe des Brenngasauslassverteilers 25 im Separator 1 ist, und in 8B, die eine schematische Schnittansicht des Nutbereiches 3 in der Draufsicht und entlang der Line C-C zeigt, ist es zu bevorzugen, dass der kleine Nutbereich 5, der bis zu einem Endteil des linearen Nutbereiches 3a ausgebildet ist, so ausgebildet ist, dass er an dem gebogenen Nutbereich 3b nicht mit dem Verteiler 25 verbunden ist. Aus diesem Grund kann durch eine Anordnung, bei der mindestens das Anschlussende des kleinen Nutbereiches 5 nicht mit dem Auslassverteiler 25 in Verbindung steht (d. h., unterbrochen ist), das aggressive Strömen von Wasser, das in den kleinen Nutbereich 5 eingetre ten ist, zum Verteiler 25 und das Austragen verhindert werden, so dass die Wasserrückhaltefunktion des kleinen Nutbereiches 5 gewährleistet werden kann.
  • Daneben ist es wie oben beschrieben für diese Ausführungsform zu bevorzugen, dass die kleinen Nutbereiche 5, 45 so ausgebildet sind, dass sie von einem Ende zum anderen Ende der linearen Nutbereiche 3a, 43a fortlaufen und jeweils die Gaskanäle 2, 42 bilden. Es ist anzumerken, dass die Formulierung „von einem Ende zum anderen Ende fortlaufend" Erscheinungsformen umfassen kann, die ähnlich einem Zustand von im wesentlichen durchlaufend sind, selbst wenn unterbrochene Stellen teilweise umfasst sind. Wie zum Beispiel in 9A, die eine teilweise vergrößerte schematische Draufsicht des linearen Nutbereiches 3a ist, und in 9B gezeigt ist, die eine Schnittansicht entlang der Linie D-D der Figur ist, kann das Wachsen eines Wassertropfens über die Breite w des kleinen Nutbereiches 5 hinaus selbst in Fällen, in denen eine Vielzahl von unterbrochenen kleinen Nutbereichen 5a ausgebildet sind, unterdrückt werden, sofern ein Abstand L1 zwischen benachbarten kleinen Nutbereichen 5a zum Beispiel nicht mehr als die Breite w jedes kleinen Nutbereiches 5 beträgt. Demzufolge kann für die vorliegende Erfindung ein Zustand der Unterbrechung mit solch einem Abstand L1 als ein Zustand angesehen werden, bei dem die kleinen Nutbereiche 5a im wesentlichen fortlaufend sind.
  • Wie der lineare Nutbereich 3a, der als ein vergleichendes Beispiel dieser Ausführungsform in einer teilweise schematischen Draufsicht der 10A und einer Schnittansicht E-E der 10B gezeigt ist, bei dem die kleinen Nutbereiche 5b im Gegensatz dazu zum Beispiel in einem inneren Abstand 12 ausgebildet sind, der größer als die Breite w jedes kleinen Nutbereiches 5b ist, können die kleinen Nutbereiche 5b nicht als in einem im wesentlichen fortlaufenden Zustand betrachtet werden, sondern sind in einem unterbrochenen Zustand. In solch einem unterbrochenen Zustand kann es gut sein, dass der Wassertropfen W5 keinen Kontakt mit dem in den kleinen Nutbereichen 5b zurückgehaltenen Wasser herstellt, selbst wenn ein zwischen benachbarten kleinen Nutbereichen 5b erzeugter Wassertropfen W5 größer gewachsen ist als die Breite w jedes kleinen Nutbereiches 5b, so dass in diesem Fall nicht gesagt werden kann, dass die Kanalblockade ausreichend unterdrückt wird.
  • Außerdem ist in dieser oben beschriebenen Ausführungsform in jedem der Separatoren 1 (oder Separatoren 41) des Stacks 30 der Gaskanal so ausgeführt, dass der kleine Nutbereich 5 in jedem der linearen Kanalbereiche 2a ausgebildet ist, während der kleine Nutbereich nicht in jedem der gebogenen Kanalbereiche 2b ausgebildet ist. Dieses ist deshalb so, weil der gebogene Kanalbereich 2b ein relativ kurzes Kanalteil ist und in vielen Fällen die Gaskanalstrukturoberfläche eines Separators in vertikaler Richtung angeordnet ist und außerdem seine einzelnen linearen Kanalbereiche 2a in einer Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung angeordnet sind, so dass es vergleichsweise unwahrscheinlich ist, dass Flüssigkeitstropfen infolge der Wirkung der Schwerkraft oder dergleichen an den gebogenen Kanalbereichen akkumuliert werden. Anstelle solcher Fälle können die kleinen Nutbereiche auch jeweils an den gebogenen Kanalbereichen 2b ausgebildet sein, es müssen jedoch unterbrochene Stellen vorgesehen sein, so dass die gebildeten kleinen Nutbereiche nicht mit dem Auslassverteiler 25 in Verbindung stehen.
  • Es werden nun verschiedene Anordnungsmodi der kleinen Nutbereiche als Modifikationsbeispiele dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Wie in 14A gezeigt ist, die eine schematische Schnittansicht der Einheitszelle 20 ist, können zwei kleine Nutbereiche 5A in dem Gaskanal 2 ausgebildet sein, so dass sie beispielsweise parallel zueinander sind. Solche kleinen Nutbereiche 5A können zum Beispiel an Eckbereichen eines Bodenbereiches des Gaskanals 2 ausgebildet sein. In dem Gaskanal 2 mit den derart ausgebildeten kleinen Nutbereichen 5A kann Wasser W, wie in den schematischen erläuternden Ansichten der 14B, 14C, 14D und 14E gezeigt ist, an zwei Stellen innerhalb des Gaskanals 2 zurückgehalten werden, so dass in dem Gaskanal 2 erzeugte Wassertropfen W4 in Kontakt mit dem in den kleinen Nutbereichen 5A in früheren Stufen zurückgehaltenen Wasser W gebracht werden können, so dass es möglich wird, das Wachstum der Wassertropfen früher zu unterdrücken. Zwei kleine Nutbereiche 45A können außerdem auch in dem katodenseitigen Separator 41 ausgebildet sein.
  • Wie in 15A gezeigt ist, die eine schematische Schnittansicht der Einheitszelle 20 ist, kann der Gaskanal 2 selbst außerdem in dem Separator 1 so ausgebildet sein, dass er in Bezug auf die Oberfläche des Separators 1 geneigt ist. In solch einem Fall ist es zu bevorzugen, dass die Oberfläche des Separators 1 zum Beispiel in die vertikale Richtung positioniert ist und darüber hinaus die Neigungsrichtung des Gaskanals 2 so bestimmt ist, dass die Bodenseite des Gaskanals 2 an der unteren Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist, und darüber hinaus ein kleiner Nutbereich 5B an einer Position ausgebildet ist, die die unterste in der Neigungsrichtung innerhalb des Gaskanals 2 ist. Mit solch einer Anordnung kann ein innerhalb des Gaskanals 2 erzeugter Wassertropfen W4 wie in den schematischen erläuternden Ansichten der 15B, 15C, 15D und 15E gezeigt ist, so geführt werden, dass er den kleinen Nutbereich 56 durch die Wirkung der Schwerkraft erreicht, so dass das Wachsen von Wassertropfen in früheren Stadien unterdrückt werden kann. Da das Wasser W außerdem leichter in einer unteren Innenumfangsfläche des Gaskanals 2 wie in der Figur gesammelt werden kann, kann die untere Innenumfangsfläche über einen längeren Zeitraum in einem hydrophilen Zustand gehalten werden. Die kleinen Nutbereiche 45B können außerdem auch in dem katodenseitigen Separator 41 ausgebildet sein.
  • Wie die in der in 16A gezeigten Einheitszelle 20 ausgebildeten kleinen Nutbereiche 5C können gekrümmte Oberflächenbereiche (R-Bereiche) 5a an Einlassseiteneckbereichen der kleinen Nutbereiche 5C ausgebildet sein. Durch die Ausbildung von solchen gekrümmten Oberflächenbereichen 5a kann in dem Gaskanal 2 erzeugtes Wasser leichter in das Innere der kleinen Nutbereiche 5C geführt werden, wie es in den schematischen erläuternden Ansichten der 16B, 16C, 16D und 16E gezeigt ist, und somit vom Gesichtspunkt des Wasserrückhaltevermögens und der Unterdrückung des Wassertropfenwachstums wirksam sein. Kleine Nutbereiche 45C, die derartige darin ausgebildete gekrümmte Oberflächenbereiche 45a besitzen, können außerdem auch in dem katodenseitigen Separator 41 ausgebildet sein.
  • Darüber hinaus sind andere Modifikationsbeispiele in den schematischen Schnittansichten des in den 17A, 17B, 17C und 17D gezeigten Gaskanals 2 gezeigt. Annehmbare alternative Formen umfassen einen kleinen Nutbe reich 5D, dessen innere Bodenfläche als eine gekrümmte Fläche geformt ist, wie es in 17A gezeigt ist, einen kleinen Nutbereich 5E, der einen annähernd V-förmigen Querschnitt wie in 17B gezeigt besitzt, und einen kleinen Nutbereich 5G, der einen zweistufigen Aufbau wie in 17D gezeigt besitzt. Wie in 17C gezeigt ist, kann ein kleiner Nutbereich 5F zudem so ausgebildet sein, dass er von zwei vorstehenden erhöhten Teilen 5b im Bodenbereich des Gaskanals 2 umgeben wird. Selbst mit solch einer Form wie in diesem Fall kann ein ausgesparter Querschnitt gegeben sein und die Funktion des Zurückhaltens von Wasser im Inneren kann zur Verfügung gestellt werden, so dass der kleine Nutbereich 5F in solch einer Form in die Beispiele der wasserzurückhaltenden Nutbereiche der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist.
  • In den einzelnen linearen Kanalbereichen 2a können die kleinen Nutbereiche ohne Begrenzung auf solch einen Fall, in dem die kleinen Nutbereiche 5 linear entlang der Kanalrichtung der linearen Kanalbereiche 2a ausgebildet sind, in den einzelnen linearen Kanalbereichen 2a auch so ausgebildet sein, dass sie sich zum Beispiel schlängeln. Selbst in solch einem Fall kann die Funktion des Zurückhaltens von in dem Kanal 2 erzeugten Wassergehalten bereitgestellt werden, so dass der Wassertropfenwachstumsunterdrückungseffekt erreicht werden kann. Selbst in dem Fall, in dem kleine Nutbereiche in solch einer Mäanderform ausgebildet sind, müssen die Nutbereiche jedoch so ausgebildet sein, dass sie sich im wesentlichen fortlaufend von einem Ende zum anderen Ende der linearen Kanalbereiche 2a erstrecken.
  • In den Separatoren 1 und 41 können die Gaskanäle 2, 42 und die kleinen Nutbereiche 5, 45 auch durch Formteilherstellungsprozesse ausgebildet werden. Deshalb werden Positionen an der Innenwandfläche der Gaskanäle 2, 42, an denen die kleinen Nutbereiche 5, 45 ausgebildet werden, vorzugsweise unter Berücksichtigung solch eines Formteilherstellungsprozesses bestimmt. Zum Beispiel werden die kleinen Nutbereiche 5, 45 vorzugsweise in Bodenflächen der Gaskanäle 2, 42 vom Gesichtspunkt der Bearbeitbarkeit für den Formteilherstellungsprozess angeordnet. Außerdem können in einem Fall, in dem die kleinen Nutbereiche 5, 45 in Seitenflächen der Innenwandflächen der Gaskanäle 2, 42 ausgebildet sind, die kleinen Nutbereiche durch Anwendung von Schneidwerkzeug oder anderen Mitteln ausgebildet werden.
  • Gemäß der obigen Ausführungsform werden in jeder der Einheitszellen 20, die den Stack 30 der Brennstoffzelle 101 bilden, kleine Nutbereiche 5, die ausreichend schmaler als die Nutbereiche 3 zur Bildung der an der Oberfläche der Separatoren 1 (ebenso Separator 41) ausgebildeten Gaskanäle 2 sind, in den Innenwandflächen der Nutbereiche 3 ausgebildet, und darüber hinaus sind diese kleinen Nutbereiche 5 so ausgebildet, dass sie die einzelnen linearen Nutbereiche 3a über den Bereich von einem Ende zum anderen Ende durchgängig machen und nicht durchgängig an den einzelnen gebogenen Nutbereichen 3b mit einer Unterbrechung zum Auslassverteiler 25. Infolge dessen kann in den Gaskanälen 2 erzeugtes Wasser in den kleinen Nutbereichen 5 zurückgehalten werden. Somit kann aufgrund der Wasserrückhaltefunktion, die die einzelnen kleinen Nutbereiche 5 wie oben gezeigt haben, ein Zustand, bei dem Wasser durch die kleinen Nutbereiche 5 kontinuierlich über die Gesamtheit der einzelnen linearen Kanalbereiche 2a des Gaskanals 2 zurückgehalten wird, implementiert werden, und danach kommen erzeugte Wassertropfen während ihres Wachstumsprozesses in Kontakt mit dem in den kleinen Nutbereichen 5 zurückgehaltenen Wasser, wodurch das Wachstum der Wassertropfen unterdrückt werden kann. Demzufolge kann verhindert werden, dass Wassertropfen auf solche Größen wachsen, dass sie den Gaskanal 2 oder dergleichen blockieren, so dass der Gasstrom stabilisiert wird und infolge dessen der Energieerzeugungszustand stabilisiert wird und damit ein besseres flutungsverhütendes Verhalten.
  • In einigen konventionellen Brennstoffzellen mit solch einer Konstruktion, bei der durch Anwendung eines Separators, der so konstruiert ist, dass schmale kommunizierende Nuten, die bis hinauf zum Auslassverteiler verbunden sind, innerhalb solch eines Gaskanals wie oben gezeigt ausgebildet sind, wird in dem Gaskanal erzeugtes Wasser aggressiv durch die kommunizierenden Nuten zum Auslassverteiler befördert. Da bei dieser Konstruktion die kommunizierenden Nuten jedoch mit dem Auslassverteiler verbunden sind, kann Wasser innerhalb der Nuten nicht immer zurückgehalten werden, so dass es möglich wird, das Wasser in den Nuten vorhanden oder nicht vorhanden ist. Selbst wenn das Prinzip der vorliegenden Erfindung auf den bekannten Separator mit solch einer Konstruktion wie oben gezeigt angewendet wird, ist es so, dass, vorausgesetzt Wasser ist vorhanden, das Wassertropfenwachstum dadurch unterdrückt werden kann, indem der Kanal in einen hydrophilen Zustand gebracht wird, aber angenommen, Wasser ist nicht vorhanden, wird der Kanal nicht in einen hydrophilen Zustand gebracht, so dass das Wassertropfenwachstum nicht unterdrückt werden kann. Infolge dessen sind ein hydrophiler Zustand und ein nicht-hydrophiler Zustand in den Gaskanälen gemischt, so dass die Blockade der Kanäle in den nicht-hydrophilen Bereichen auftreten könnte.
  • Im Gegensatz dazu erfüllen die kleinen Nutbereiche 5 dieser Ausführungsform die Wasserrückhaltefunktion, während sie so ausgebildet sind, dass sie nicht mit dem Auslassverteiler 25 verbunden sind, und in diesem Fall keine Mischung des hydrophilen Zustands und des nicht-hydrophilen Zustands in erheblichen Umfang besteht. Jene kleinen Nutbereiche 5 sind auch so ausgebildet, dass sie mit den linearen Kanalbereichen 2a zu verbinden sind, wo die Ansammlung von Wassertropfen wahrscheinlicher auftritt, so dass das Wachstum der erzeugten Wassertropfen effektiv unterdrückt werden kann. Demzufolge wird der Gasstrom in der Brennstoffzelle durch Unterdrücken der Blockade der Kanäle stabilisiert, wodurch eine Energieerzeugungsstabilisierung als auch eine Verbesserung des flutungsverhütenden Verhaltens erreicht werden kann.
  • Die Brennstoffzelle dieser Ausführungsform ist insbesondere auch für die Anwendung für im Haus verwendeter Brennstoffzellen effektiv. Solche für das Haus genutzte Brennstoffzellen sind in vielen Fällen so konstruiert, dass die zum Antreiben einer Pumpe oder dergleichen benötigte Antriebskraft so gering wie möglich ist und die Gaszuführungsströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Gaskanäle gehemmt wird, sodass sie im Vergleich mit Brennstoffzellen zur Anwendung in anderen Gebieten relativ gering (langsam) ist (z. B. eine Gaszuführungsströmungsgeschwindigkeit von ungefähr 10 m/s oder geringer). Deshalb führt eine solche für das Haus genutzte Brennstoffzelle zu einem relativ schwachen Effekt beim Befördern von innerhalb der Gaskanäle erzeugten Wassertropfen durch die Gasströmungsgeschwindigkeit, sodass es in diesem Fall effektiver ist, das Wachsen von Wassertropfen durch Anwendung solcher kleinen Nutbereiche wie in der Ausführungsform zu unterdrücken.
  • (Beispiele)
  • Als nächstes werden nachfolgend verschiedene Beispiele von Brennstoffzellen der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung beschrieben, in denen die Wirkungen der Ausbildung der kleinen Nutbereiche in den Gaskanälen erläutert werden.
  • (Erstes Beispiel)
  • Der Brennstoffzellen-Stack gemäß dem ersten Beispiel ist ein Stack 30, der, wie in den 3A und 3B gezeigt und wie oben beschrieben ausgebildet ist. Der Aufbau und das Herstellungsverfahren des Stacks 30 dieses ersten Beispieles werden erläutert.
  • Zuerst wird der Herstellungsprozess für die MEA 10 erläutert. Acetylenschwarz-Pulver, auf dem 25 Gewichtsprozent Platinpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von ungefähr 30 Å aufgetragen wurden, wurde als Katalysator für Elektroden verwendet. In eine Lösung, in der das Katalysatorpulver in Isopropanol dispergiert wurde, wurde eine Dispersionslösung gemischt, in die Pulver aus Perfluorkarbonsulfonsäure in Ethylalkohol dispergiert wurde, wodurch eine Katalysatorpaste erhalten wurde.
  • In der Zwischenzeit wurde ein Karbonvliesgewebe (Karbon-Non-wovens) (Gasdiffusionsschicht 14), das als ein Basismaterial für Elektronen dienen würde, einer Wasserabstoßungsbehandlung unterworfen. Ein Karbonvliesgewebe (hergestellt von Toray, TGP-H-120) mit Außenabmessungen von 14 cm × 14 cm und eine Dicke von 36 μm wurde mit einer fluorharzhaltigen wässrigen Dispersion (hergestellt durch Daikin Kogyo, NEOFLON ND1) imprägniert, danach getrocknet und bei 400°C für 30 Minuten erhitzt, sodass es wasserabweisend ist. Die Katalysatorpaste wurde durch einen Siebdruckprozess auf eine Oberfläche des Karbonvliesgewebes 14 aufgetragen, durch den katalytische Schichten 12, 13 ausgebildet wurden. In diesem Fall wurden die katalytischen Schichten 12, 13 teilweise in das Karbonvliesgewebe 14 eingebettet. Die auf diese Weise hergestellten katalytischen Schichten 12, 13 und das Karbonvliesgewebe 14 wurden zum Ausbilden einer Elektrode verbunden. Die Menge des in der Reaktantelektode enthaltenen Platins wurde auf 0,6 mg/cm2 und die Menge der Perfluorkarbonsulfonsäure wurde auf 1,2 mg/cm2 nach ihrer Bildung dosiert.
  • Als nächstes wurde ein Paar von Elektroden (d. h., ein Anoden-Katodenpaar von Elektroden) mit Vorder- und Rückflächen einer protonenleitfähigen polyelektrolytischen Membran 11 mit Außenabmessungen von 15 cm × 15 cm durch Heißpressen derart zusammengefügt, dass die Katalysatorschichtseitenflächen der Elektroden in Kontakt mit jenen Flächen der polyelektrolytischen Membran 11 gebracht würden, durch die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 10 erhalten wurde (siehe 2). Die in diesem Fall verwendete protonenleitfähige Polymermembran 11 war eine dünne Membran aus Perfluorkarbonsulfonsäure, die auf eine Dicke von 30 μm verdünnt wurde.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Separaturs erläutert, der als anodenseitiger Separatur 1 und katodenseitiger Separatar 41 dienen würde. Bei der Aufbereitung von synthetischem Graphitpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 50–100 μm wurden zuerst 80 Gewichtsprozent des synthetischen Graphitpulvers mit 20 Gewichtsprozent eines wärmehärtbaren Phenolharzes durch einen Extrusionskneter geknetet, wodurch durchgeknetetes Pulver erhalten wurde. Das resultierende durchgeknetete Pulver wurde in eine Form geworfen, die auf 180°C erwärmt wurde, wobei die verwendetete Form einen Aufbau besitzt, der gemäß dem Aufbau des Fluidkanals zur Anwendung als Nutbereiche (Gaskanalausbildung zur Anwendung als Nuten) 2, 42 zur Zuführung des Brennfluids (Brenngas) und Oxydationsfluids (Oxydationsgas) als auch als Kühlwasserkanalnuten (nicht dargestellt) als auch einzelne Verteiler 24–29 und kleine Nutbereiche 5, 45 ausgebildet ist, und das durchgeknetete Pulver wurde durch Heißpressen geformt. Es ist anzumerken, dass das Verfahren für diesen Formgebungsprozess nicht nur Pressformen sein kann, sondern auch Spritzgießen oder Spritzpressen, oder nur die kleinen Nutbereiche 5, 45 können ansonsten durch Schneidarbeiten hergestellt werden.
  • Der Separatur dieses ersten Beispieles wird in solch einer Positur verwendet, dass seine Kanalbildungsfläche entlang der Vertikalrichtung angeordnet ist und dass die einzelnen linearen Kanalbereiche 2a in horizontaler Richtung positioniert sind. Bei solch einer Anwendungspositur ist es zu bevorzugen, dass die kleinen Nutbereiche 5 in den Kanalbereichen in horizontaler Richtung positioniert ausgebildet sind. Aus diesem Grund wird ein Wassertropfen an den Gaskanalwandflächen entlang wachsen, während er sich entlang der Strömungsrichtung bewegt. Deshalb ist ein Wassertropfen in solch einem serpentinenförmigen Gaskanal, wie er in 3A gezeigt ist, leicht in Schwerkraftrichtung beweglich, jedoch weniger beweglich in einer Richtung senkrecht zur Schwerkraftrichtung. Während der Wassertropfen in einem Kanal, der keine kleinen Nutbereiche 5 besitzt, genug wachsen könnte, um den Kanal zu blockieren, kann das Wassertropfenwachstum genau auf solch ein Ausmaß unterdrückt werden, dass er mit den kleinen Nutbereichen 5 aufgrund der Ausbildung der kleinen Nutbereiche 5 wie in 3 gezeigt Kontakt herstellt. Es wird angemerkt, dass der katodenseitige Separator 41 in ähnlicher Art und Weise hergestellt wurde.
  • Es wurde eine Querschnittsform der kleinen Nutbereiche angenommen, wie sie in den 3A, 3B und 4 gezeigt ist. Das heißt, die kleinen Nutbereiche 5, 45 wurden entlang der Kanäle in im Wesentlichen mittigen Positionen in den Bodenbereichen der Innenwandflächen der Gaskanäle 2, 42 ausgebildet.
  • Der anodenseitige Separator 1 mit den darin ausgebildeten kleinen Nutbereichen 5 und der katodenseitige Separator 41 mit den darin ausgebildete kleinen Nutbereichen 45 wurden mit der MEA 10 und einem dazwischen gelegten Dichtungsmaterial aufeinander gelegt, wodurch eine Einheitszelle 20 gefertigt wurde (siehe 2). In diesem ersten Beispiel wurden Kontrollbereiche an der Anoden- und Katodenseite mit dem Gasdichtungsmaterial beschichtet, sodass sie zu den Oberflächen nicht ungeschützt sind. Nachdem diese Einheitszelle 20 jeweils mit zwei Zellen gestapelt wurde, wurde die aus zwei Zellen geschichtete Zelle zwischen den Separatoren, die darin ausgebildete Kühlwassernutbereiche besitzen, angeordnet. Dieses Muster wurde wiederholt, bis ein Stack 30 aus zehn Zellenschichten hergestellt war. In diesem Fall wurden an beiden Endteilen des Stacks 30 jeweils nichtrostende Stromsammelplatten 21, aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellte Isolierplatten 22 und Endplatten 23 angeordnet, wobei alle diese Elemente durch eine Befestigungsstange befestigt sind. Der Spanndruck in diesem Fall wurde auf 15 kgf/cm2 pro Separatorfläche eingestellt.
  • Die auf diese Weise hergestellte, aus einem 10-Zellen-Stack bestehende Brennstoffzelle (PEFC) 101 dieses ersten Beispieles wurde auf 80°C gehalten und auf einen Taupunkt von 75°C befeuchtetes Wasserstoffgas als Brennfluid (Gas) auf Anodenseite zugeführt, während auf einen Taupunkt von 65°C befeuchtete Luft als Oxydationsfluid (Gas) auf Katodenseite zugeführt wurde. Infolge dessen wurde in einem Leerlaufzustand ohne Abgabe von elektrischem Strom nach Außen eine Zellenleerlaufspannung von 9,6 V erhalten. Die Messung eines Innenwiderstandes des Stacks 30 als eine Gesamtheit zeigte in diesem Fall einen Wert von ungefähr 4,5 mΩ.
  • Unter der Bedingung eines Sauerstoffausnutzungsfaktors von 40% und einer Stromdichte von 0,15 A/cm2, wurde die 10-Zellen-Stack-Brennstoffzelle 101 mit in Schritten von 5% von 50% zunehmendem Brennstoffausnutzungsfaktor betrieben. Dann verringerte sich die Zellenspannung, die ursprünglich 700 mV oder mehr betrug, plötzlich bei einem Brennstoffausnutzungsfaktor. Wenn die Zellspannung niedriger als 600 mV wurde, wurde der Test beendet.
  • Es wurde ein 5-Stunden-Testverfahren mit dem Brennstoffausnutzungsfaktor in Schritten von 5% ausgeführt, und der höchste Brennstoffausnutzungsfaktor, bei dem das Verfahren bei Stabilität aller Zellspannungen durchgeführt werden konnte, wurde als Grenzbrennstoffausnutzungsfaktor (Limit Uf) genommen.
  • Als nächstes wurde die 10-Zellen-Stack-Brennstoffzelle 101 unter der Bedingung eines Brennstoffausnutzungsfaktors von 60% und einer Stromdichte von 0,3 A/cm2 mit einem in Schritten von 5% von 30% ansteigenden Sauerstoffausnutzungsfaktor betrieben. Auch in Bezug auf den Sauerstoffausnutzungsfaktor wurde der Test wie im Fall des Brennstoffausnutzungsfaktors beendet, wenn die Zellspannung niedriger als 600 mV wurde. Es wurde ein 5-stündiges Testverfahren mit dem Sauerstoffausnutzungsfaktor in Schritten von 5% durchgeführt, und der höchste Sauerstoffausnutzungsfaktor, bei dem das Verfahren mit Stabilität aller Zellspannungen ausgeführt werden konnte, wurde als ein Grenzsauerstoffausnutzungsfaktor (Limit Uo) genommen. Es kann gesagt werden, dass die Stabilität der Brennstoffzelle umso höher ist und ihr flutungsverhütendes Verhalten umso erfolgreicher ist, je höher der Grenzbrennstoffausnutzungsfaktor (Limit Uf) und der Grenzsauerstoffausnutzungsfaktor (Limit Uo) ist. Das heißt, es kann gesagt werden, dass durch die Unterdrückung der Kanalblockade infolge von in den Gaskanälen der Separatoren erzeugten Wassertropfen die Stabilität der Energieerzeugung verbessert werden kann und das flutungsverhütende Verhalten besser erreicht werden kann. Die erreichten Werte wurden als Kennzahlen für die Zellenleistungsdatenbewertung der Brennstoffzellen genommen.
  • Zellenleistungsdaten der 10-Zellen-Stack-Brennstoffzelle 101 mit den Separatoren 1, 41, bei denen die kleinen Nutbereiche 5, 45 in diesem ersten Beispiel hergestellt und ausgebildet waren, zeigten in allen Fällen sehr hohe Leistungsdaten, wie ein Limit Uf von 80% und ein Limit Uo von 60%. Es wird angemerkt, dass eine Brennstoffzelle, die eine Entwicklung eines Limit Uf von 70% oder mehr und eines Limit Uo von 50% oder mehr als eine Brennstoffzelle (PEFC) bezeichnet werden kann, die exzellentes flutungsverhütendes Verhalten bezüglich von Zellenleistungsdaten besitzt. Aus diesen Ergebnissen kann in Betracht gezogen werden, dass Auswirkungen der Herstellung und Ausbildung der kleinen Nutbereiche gut nutzbar gemacht sind und die Blockade infolge von in den Gaskanälen erzeugtem Wasser wirksam verhindert wird.
  • (Zweites Beispiel)
  • In 11B ist nun als nächstes eine schematische Schnittansicht einer Einheitszelle 120 in einer Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Beispiel gezeigt, und eine Ansicht entlang der Pfeile G-G der 11B ist in 11A gezeigt. Es wird angemerkt, dass eine Schnittansicht entlang der Pfeile F-F in 11A der 11B entspricht. Wie in den 11A und 11B gezeigt ist, unterscheidet sich die Einheitszelle 120 dieses zweiten Beispiels, obwohl sie einen Aufbau besitzt, der im Wesentlichen gleich dem der Einheitszelle 20 des ersten Beispiels ist, von dieser jedoch dadurch, dass die kleinen Nutbereiche 105 so ausgebildet sind, dass sie in Bezug auf die Kanalströmungsrichtung in den einzelnen linearen Kanalbereichen 2a etwas geneigt sind. Die Neigungsrichtung der kleinen Nutbereiche 105 ist außerdem in solch eine Richtung eingestellt, dass sie sich in Bezug auf die Gasströmungsrichtung in den Gaskanälen 2 neigen, wie in den Figuren zu sehen ist. Die kleinen Nutbereiche 105, 145, die eine solche Neigungsrichtung haben, wurden gleichermaßen zwischen den anodenseitigen und katodenseitigen Separatoren ausgebildet. Außer den oben genannten Punkten sind das Konstruktions- und Herstellungsverfahren gleich jenen des ersten Beispiels und so wird ihre Beschreibung weggelassen.
  • Die wie oben aufgebaute Brennstoffzelle dieses zweiten Beispiels wurde einer Zellenenergieerzeugungsbewertung mit der gleichen Methode unterzogen, wie sie in dem ersten Beispiel angewandt wurde. Als Ergebnis zeigte die Brennstoffzelle ähnliche Verhaltensergebnisse wie jene des ersten Beispiels. Des Weiteren wurde gleichermaßen eine Zellenergieerzeugungsbewertung durchgeführt, auch mit um 5°C und von 80°C auf 75°C gesenkter Temperatur. In diesem Fall wurden unveränderte Leistungsergebnisse wie ein Limit Uf von 80% und ein Limit Uo von 60% in der Brennstoffzelle dieses zweiten Beispieles entwickelt, obwohl der Grenzausnutzungsfaktor in der Brennstoffzelle des ersten Beispieles in Schritten von 5% gesenkt wurde. Aus diesem Ergebnis kann in Betracht gezogen werden, dass durch Vorsehen der kleinen Nutbereiche 105, 145 mit einer Neigung, die der Strömungsrichtung nicht entgegensteht, die Nutentleerungsfähigkeit aus den kleinen Nutbereichen 105, 145 in die gebogenen Kanalbereiche 2b weiter verbessert werden kann, so dass stabile Zellleistungsdaten selbst unter übersättigteren Bedingungen erreicht werden können.
  • (Drittes Beispiel)
  • In 12B ist als nächstes eine schematische Schnittansicht einer Einheitszelle 220 in einer Brennstoffzelle gemäß dem dritten Beispiel gezeigt, und eine Ansicht entlang der Pfeile I-I der 12B ist in 12A gezeigt. Es wird angemerkt, dass eine Schnittansicht entlang der Pfeile H-H in 12A der 12B entspricht. Wie in den 12A und 12B gezeigt ist, unterscheidet sich die Einheitszelle 220 dieses dritten Beispieles, obwohl sie einen im Wesentlichen gleichen Aufbau wie jenen der Einheitszelle 20 des ersten Beispieles hat, von dieser jedoch nur dadurch, dass die kleinen Nutbereiche 205, die in den einzelnen linearen Kanalbereichen 2a ausgebildet sind, miteinander in den einzelnen gebogenen Kanalbereichen 2b verbunden sind. Diese kleinen Nutbereiche 205 sind nicht mit dem Einlassverteiler 24 und dem Auslassverteiler 25 verbunden, so dass sie in einem unterbrochenen Zustand sind. Jene kleinen Nutbereiche 205, 245 wurden gleichermaßen zwischen den anodenseitigen und katodenseitigen Separaturen ausgebildet. Außer in den oben gezeigten Punkten sind das Konstruktions- und Herstellungsverfahren gleich jenen des ersten Beispieles und so wird ihre Beschreibung weggelassen.
  • Die wie oben beschrieben aufgebaute Brennstoffzelle dieses dritten Beispieles wurde einer Zellenergieerzeugungsbewertung mit der gleichen Methode unterzogen, wie sie in dem ersten Beispiel angewandt wurde. Im Ergebnis zeigte die Brennstoffzelle tatsächlich hohe Leistungsergebnisse, wie ein Limit Uf von 75% und ein Limit Uo von 55%, jedoch waren diese jeweils fünf Punkte niedriger als in dem ersten Beispiel. Des Weiteren wurde gleichermaßen eine Zellenergieerzeugungsbewertung mit um 5°C von 80°C auf 75°C verringerter Temperatur durchgeführt. In diesem Fall wurden unveränderte Leistungsergebnisse wie ein Limit Uf von 80% und ein Limit Uo von 60% in der Brennstoffzelle dieses dritten Beispieles entwickelt, obwohl der Grenzausnutzungsfaktor der Brennstoffzelle des ersten Beispieles in Schritten von 5% verringert wurde. Aus diesem Ergebnis kann in Betracht gezogen werden, dass durch Kopplung der kleinen Nutbereiche 205, 245 an den gebogenen Kanalbereichen 2b stabile Zellenleistungsdaten unter übersättigteren Bedingungen erreicht werden können.
  • (Viertes Beispiel)
  • In 13B ist als nächstes eine schematische Schnittansicht einer Einheitszelle 320 in einer Brennstoffzelle gemäß dem vierten Beispiel gezeigt, und eine Ansicht entlang der Pfeile K-K der 13B ist in 13A gezeigt. Es wird angemerkt, dass eine Schnittansicht entlang der Pfeile J-J in 13A der 13B entspricht. Wie in den 13A und 13B gezeigt ist, unterscheidet sich die Einheitszelle 320 dieses vierten Beispiels, obwohl sie einen im Wesentlichen gleichen Aufbau wie jenen der Einheitszelle 20 des ersten Beispieles hat, von dieser jedoch dadurch, dass zweite kleine Nutbereiche 355 im stromabwärtsliegenden Teil (zweite Hälfte) der Gaskanalbereiche 2a ausgebildet sind. Diese zweiten kleinen Nutbereiche 355 sind nicht nur in den linearen Kanalbereichen 2a ausgebildet, sondern auch in den gebogenen Kanalbereichen 2b, so dass sie schließlich mit dem Auslassverteiler 25 verbunden sind. Inzwischen sind kleine Nutbereiche (d. h. erste kleine Nutbereiche) 305, die in den einzelnen linearen Kanalbereichen 2a ausgebildet sind, nicht in den gebogenen Kanalbereichen 2b ausgebildet und nicht mit dem Auslassverteiler 25 verbunden. Solche kleinen Nutbereiche 305, 355, 345 und 365 wurden gleichermaßen zwischen den anodenseitigen und katodenseitigen Separatoren ausgebildet. Außer den oben ge zeigten Punkten sind das Konstruktions- und Herstellungsverfahren gleich jenen des ersten Beispiels, so dass ihre Beschreibung weggelassen ist.
  • Die wie oben beschrieben aufgebaute Brennstoffzelle dieses vierten Beispieles wurde einer Zellenergieerzeugungsbewertung durch die gleiche Methode unterworfen, wie sie in dem ersten Beispiel angewandt wurde. Im Ergebnis zeigte die Brennstoffzelle tatsächlich hohe Leistungsergebnisse, wie ein Limit Uf von 80% und ein Limit Uo von 60%, die gleich jenen des ersten Beispieles sind. Des Weiteren wurde eine Zellenergieerzeugungsbewertung gleichermaßen auch mit um 10°C von 80°C auf 70°C erniedrigter Temperatur durchgeführt. In diesem Fall wurden unveränderte Leistungsergebnisse wie ein Limit Uf von 80% und ein Limit Uo von 60% entwickelt. Aus diesem Ergebnis kann in Betracht gezogen werden, dass noch stabilere Zellleistungsdaten über einen breiten Bereich von Operationsbedingungen mit der Brennstoffzelle dieses vierten Beispieles erreicht werden können.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß das Wachstum von kondensiertem Wasser (erzeugtem Wasser) in den Gaskanälen in den einzelnen Einheitszellen unterdrückt werden, so dass die Zuverlässigkeit der Gaskanäle gewährleistet werden kann. Deshalb wird es praktikabel, eine Brennstoffzelle herzustellen, die stabile Energieerzeugung mit unterdrücktem Auftreten von Fluten erfüllen kann.
  • Es ist anzumerken, dass durch geeignetes Kombinieren der willkürlichen Ausführungsformen der zuvor genannten verschiedenen Ausführungsformen, die Wirkungen, die diese besitzen, erzeugt werden können.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, ist anzumerken, dass den Fachleuten auf dem Gebiet verschiedene Änderungen und Modifikationen offensichtlich sind. Solche Änderungen und Modifikationen sind als im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, umfasst zu verstehen, außer sie weichen davon ab.
  • Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-140915 , angemeldet am 13. Mai 2005, einschließlich Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüchen sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen.
  • Zusammenfassung
  • In einer Brennstoffzelle, die aus einem Paar Separatoren mit einer dazwischen angeordneten Membranelektrode gebildet wird, sind Gaskanäle, die eine Vielzahl von im Wesentlichen linearen Kanalbereichen und gebogenen Kanalbereichen besitzen, die jeweils einen Endabschnitt der linearen Kanalbereiche mit dem anderen Endabschnitt der linearen Kanalbereiche verbinden, so ausgebildet, dass sie von einer Gaseinführungsöffnung zu einer Austragsöffnung verbunden sind. In Innenwandflächen der Nutbereiche der Separatoren, die die linearen Kanalbereiche bilden, sind Wasserrückhaltenutbereiche, die in ihrem Inneren mindestens einen Teil des in dem Gaskanal erzeugten Wassers zurückhalten können, in solch einer ausgesparten Form ausgebildet, dass sie im Wesentlichen im Kanalbereich fortlaufend sind. Wenn ein in dem Gaskanal erzeugter Wassertropfen Kontakt mit dem zurückgehaltenen Wasser in den Wasserrückhaltenutbereichen herstellt, wird das Wachstums des Wassertropfens unterdrückt, um eine Blockade des Gaskanals zu verhindern, wodurch das flutungsverhütende Verhalten verbessert wird.

Claims (7)

  1. Brennstoffzelle umfassend: eine Membranelektrodenanordnung, die ein Verbundelement einer Polyelektrolytmembran ist, wobei Katalysatorschichten so angeordnet sind, dass sie die Polyelektrolytmembran beschichten, und Gasdiffusionsschichten jeweils außen von den Katalysatorschichten angeordnet sind, und in der Anoden- und Katodenelektroden ausgebildet sind; und ein Paar von Separatoren, in denen Gaskanalnutbereiche so ausgebildet sind, dass ihre Oberflächen in Kontakt mit den Gasdiffusionsschichten gebracht werden, um einen Gaskanal zu bilden, und die so angeordnet sind, dass sie die Membranelektrodenanordnung beschichten, wobei in jedem der Separatoren der Gaskanal mehrere, im wesentlichen lineare Kanalabschnitte umfasst, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und mehrere gebogene Kanalabschnitte, die Endabschnitte der linearen Kanäle mit Endabschnitten ihrer benachbarten linearen Kanalabschnitten verbinden, wobei die Gaskanalnutbereiche so ausgebildet sind, dass sie von einer Gaszuführungsöffnung zu einer Austragsöffnung in Verbindung stehen, und bei dem in Innenwandflächen der Gaskanalnutbereiche, die jeweils die linearen Kanalabschnitte bilden, Wasserrückhaltenutbereiche zum Zurückhalten von mindestens einem Teil des in dem Gaskanal erzeugten Wassers in ihrem Inneren so ausgebildet sind, dass eine rinnenförmige Struktur ausgebildet ist, so dass sie im wesentlichen entlang des linearen Kanalabschnitts fortlaufend ist.
  2. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche in den Gaskanalnutbereichen, die jeweils die linearen Kanalabschnitte bil den, so ausgebildet sind, dass sie nicht mit der Austragsöffnung in Verbindung stehen.
  3. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche so ausgebildet sind, dass sie zwischen ihren beiden Endabschnitten in jedem der linearen Kanalabschnitte fortgesetzt werden, und die Wasserrückhaltenutbereiche durch die gebogenen Kanalabschnitte unterbrochen sind.
  4. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche jeweils in Bodenbereichen der Gaskanalnutbereiche ausgebildet sind.
  5. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche jeweils in im Wesentlichen mittigen Bereichen der Bodenbereiche ausgebildet sind.
  6. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche so ausgebildet sind, dass sie durch Herstellen eines Kontaktes eines innerhalb der Gaskanalnutbereiche erzeugten Wassertropfens mit dem zurückgehaltenen Wasser zum Verringern eines Kontaktwinkels zwischen einer Innenwandfläche der Gaskanalnutbereiche und dem Wassertropfen wirksam sind.
  7. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Wasserrückhaltenutbereiche so ausgebildet sind, dass sie jeweils eine Breite besitzen, die in einen Bereich von 1/2 bis 1/10 einer Breite von jedem der Nutbereiche fällt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020131422A1 (de) 2020-11-27 2022-06-02 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzelle mit Spülungseinrichtung

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8277986B2 (en) * 2007-07-02 2012-10-02 GM Global Technology Operations LLC Bipolar plate with microgrooves for improved water transport
US8168340B2 (en) * 2007-11-07 2012-05-01 GM Global Technology Operations LLC Water removal features for PEMfc stack manifolds
KR20100120226A (ko) * 2008-04-11 2010-11-12 유티씨 파워 코포레이션 매니폴드 섬프를 갖는 바이폴라 플레이트 및 연료 전지
CN102884663B (zh) * 2010-03-08 2015-11-25 Bdfip控股有限公司 用于电化学燃料电池的流场板
EP2549574B1 (de) * 2010-03-17 2020-04-08 Nissan Motor Co., Ltd Brennstoffzelle
WO2012133044A1 (ja) * 2011-03-25 2012-10-04 株式会社村田製作所 燃料電池
DE102012211318A1 (de) 2012-06-29 2014-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Energiespeicher
US9786928B2 (en) 2012-08-24 2017-10-10 Ford Global Technologies, Llc Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate
US10122025B2 (en) 2012-08-24 2018-11-06 Ford Global Technologies, Llc Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate
US9929414B2 (en) 2012-09-07 2018-03-27 Audi Ag Reactant flow channel configuration to facilitate water removal
JP5874596B2 (ja) * 2012-10-09 2016-03-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP5915613B2 (ja) * 2013-10-02 2016-05-11 トヨタ自動車株式会社 セパレータおよび燃料電池
CN105134720A (zh) * 2015-08-25 2015-12-09 江苏神州碳制品有限公司 一种石墨板粘合工艺
CN110854402A (zh) * 2018-08-21 2020-02-28 上海汽车集团股份有限公司 一种气体扩散层前驱体及其制备方法以及气体扩散层和燃料电池
US11621429B2 (en) * 2020-09-21 2023-04-04 Hyaxiom, Inc. Fuel cell component including scale-accommodating flow channels
DE102020213578A1 (de) 2020-10-29 2022-05-05 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle
JP2022143987A (ja) 2021-03-18 2022-10-03 株式会社東芝 二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解装置の運転方法
CN115472860B (zh) * 2022-09-15 2023-09-08 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02168565A (ja) 1988-12-21 1990-06-28 Nippon Soken Inc 燃料電池
US6329094B1 (en) 1997-05-14 2001-12-11 Sanyo Electric Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell showing stable and outstanding electric-power generating characteristics
JP3900650B2 (ja) 1998-01-14 2007-04-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP2000123848A (ja) 1998-10-19 2000-04-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
FR2786027B1 (fr) 1998-11-12 2006-04-28 Commissariat Energie Atomique Plaques bipolaires pour pile a combustible et pile a combustible comprenant ces plaques
US6921598B2 (en) 2000-03-07 2005-07-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same
JP2002110189A (ja) 2000-09-29 2002-04-12 Toshiba Corp 燃料電池用セパレータ及びその製造方法並びに該セパレータを用いた固体高分子型燃料電池
JP3753013B2 (ja) 2001-05-10 2006-03-08 日産自動車株式会社 燃料電池
JP2003100321A (ja) 2001-09-25 2003-04-04 Toyota Motor Corp 燃料電池用セパレータとその製造方法
JP2003249246A (ja) 2002-02-22 2003-09-05 Daihatsu Motor Co Ltd 燃料電池
JP4498681B2 (ja) 2003-02-04 2010-07-07 パナソニック株式会社 高分子電解質型燃料電池
JP2005093244A (ja) 2003-09-17 2005-04-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
JP2005276519A (ja) 2004-03-23 2005-10-06 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020131422A1 (de) 2020-11-27 2022-06-02 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzelle mit Spülungseinrichtung

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