DE112007000054B4

DE112007000054B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007000054B4
Application number: DE112007000054.6T
Authority: DE
Inventors: Takashi Nakagawa; Masatoshi Teranishi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: DE112007000054T5; CN101728553A; JP2010045035A; JP4383504B2; CN101346842B; JPWO2007148761A1; CN101728552B; JP4312257B2; WO2007148761A1; JP4431192B2; JP4309965B1; KR20080037100A; US20090162717A1; WO2007148761B1; JP2009176754A; US8557466B2; JP2009176745A; JP4309966B1; CN101346842A; JP2009176746A

Abstract

Brennstoffzelle mit interner Befeuchtung, die eine Polymer-Elektrolytmembran (200), eine Membranenelektrodenanordnung (500) mit einem Paar von Katalysatorelektroden (300, 400), zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran (200) angeordnet ist, und ein Trennglied (600; 700) mit einem Gasflusskanal (614; 714) zum Zuführen eines Brennstoffgases oder eines Oxidationsgases zu der Membranenelektrodenanordnung (500) umfasst, wobei der Gasflusskanal (614; 714) ein Vorwärts- (618; 718) und Rückwärtskanal (620; 720) ist und S-förmig oder spiralförmig ausgebildet ist, ein vorgeordneter Flusskanal des Gasflusskanals (614; 714) einem nachgeordneten Flusskanal des Gasflusskanals benachbart ist, wobei das Gas, das durch den den vorgeordneten Flusskanal enthaltenden Vorwärtsflusskanal (618; 718) fließt, in entgegengesetzter Richtung zu dem Gas fließt, das durch den den nachgeordneten Flusskanal enthaltenden Rückwärtsflusskanal (620; 720) fließt, und eine Wand des Gasflusskanals (614; 714) keine Durchlässigkeit für das Brennstoffgas oder Oxidationsgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal des Gasflusskanals (614; 714) zwischen 2,2 mm und 3,3 mm beträgt und zwei bis dreimal so breit wie der Gasflusskanal (614; 714) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Solidpolymer-Brennstoffzelle mit einer Polymer-Elektrolytmembran.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle umfasst im wesentlichen eine Polymer-Elektrolytmembran, die wahlweise Wasserstoffionen transportiert, und ein Paar von Katalysatorelektroden (einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode), zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran angeordnet ist. Eine Brennstoffzelle mit dem oben genannten Aufbau kann kontinuierlich elektrische Energie aus einem zu der Brennstoffelektrode (Anode) zugeführten Brennstoffgas (das Wasserstoff enthält) und einem zu der Luftelektrode (Kathode) zugeführten Oxidationsgas (das Sauerstoff enthält) erzeugen.
Die Katalysatorelektrode ist auf der Seite der Seite der Polymer-Elektrolytmembran angeordnet. Die Katalysatorelektrode umfasst eine Katalysatorschicht, die eine Redoxreaktion der Katalysatorelektrode fördert, und eine auf der Außenseite der Katalysatorschicht angeordnete Gasdiffusionsschicht, die luftdurchlässig und elektrisch leitend ist. Weiterhin umfasst die Gasdiffusionsschicht eine Kohlenstoffmantelschicht, die auf der Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist, wodurch ein Kontakt mit der Katalysatorschicht vorgesehen wird, und eine Gasdiffusionsbasismaterialschicht, die ein von außen zugeführtes Gas diffundiert und das Gas zu der Katalysatorschicht zuführt. Der zusammengesetzte Körper aus der Polymer-Elektrolytmembran und dem Paar von Katalysatorelektroden (einschließlich der Katalysatorschicht, der Kohlenstoffmantelschicht und der Gasdiffusionsbasismaterialschicht) wird als Membranenelektrodenanordnung (nachfolgend als „MEA” abgekürzt) bezeichnet.
MEAs können durch Stapeln in eine elektrische Reihenverbindung gebracht werden. Wenn die MEAs gestapelt sind, ist ein elektrisch leitendes Trennglied zwischen jeder MEA angeordnet, damit sich das Brennstoffgas und das Oxidationsgas nicht miteinander mischen, wobei die MEAs über dieses Trennglied elektrisch miteinander verbunden sind. Die durch das Anordnen einer MEA zwischen einem Paar von Trenngliedern erhaltene Anordnung wird als „Brennstoffzelle” oder einfach als „Zelle” bezeichnet. Ein Stapelprodukt aus mehreren Brennstoffzellen wird als „Brennstoffzellenstapel” oder einfach als „Stapel” bezeichnet.
In der Brennstoffzelle ist ein Gasflusskanal in der Fläche des Trennglieds ausgebildet, die mit der Katalysatorelektrode in Kontakt ist, um ein Reaktionsgas (Brennstoffgas oder Oxidationsgas) zu der Katalysatorelektrode zu führen und übermäßiges Gas und übermäßiges Wasser abzuführen. Der an dem Trennglied ausgebildet Gasflusskanal umfasst allgemein mehrere gerade Parallelflusskanäle, die mit als Verteiler bezeichneten Röhren verbunden sind, die sich durch den Brennstoffzellenstapel erstrecken. Der Verteiler führt das Reaktionsgas zu dem Gasflusskanal zu und führt übermäßiges Gas und Wasser aus dem Gasflusskanal für alle Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ab.
Allgemein ist die Zelle oder der Stapel zwischen Kollektorplatten, Isolatorplatten und Anschlussplatten angeordnet und sieht eine Brennstoffzelle in einer üblichen Form vor.
Wenn in der Brennstoffzelle mit der oben geschilderten Konfiguration das Brennstoffgas mit dem Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode zugeführt wird und das Oxidationsgas mit dem Sauerstoff zu der Luftelektrode zugeführt wird, kann elektrische Energie in Übereinstimmung mit den weiter unten genannten Reaktionen erzeugt werden.
Der zu der Brennstoffelektrode zugeführte Wasserstoff diffundiert durch die Gasdiffusionsschicht der Brennstoffelektrode und erreicht die Katalysatorschicht. In der Katalysatorschicht wird der Wasserstoff in ein Wasserstoffion und ein Elektron getrennt. Das Wasserstoffion wird über die Wasser enthaltende Polymer-Elektrolytmembran zu der Luftelektrode transportiert. Das Elektron wird durch einen externen Kreislauf zu der Luftelektrode transportiert. Das durch den externen Kreislauf gehende Elektron kann als elektrische Energie genutzt werden. In der Katalysatorschicht der Luftelektrode reagiert das durch die Polymer-Elektrolytmembran transportierte Wasserstoffion mit dem durch den externen Kreislauf transportierten Elektron und dem zu der Luftelektrode zugeführten Sauerstoff, wodurch Wasser erzeugt wird.
Die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle erzeugt während der Energieerzeugungsreaktion auch Wasser. Die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle vermindert sich, wenn das Innere der Zellen übermäßig durch Wasser befeuchtet wird, weshalb das bei der Energieerzeugung erzeugte Wasser unter Verwendung des durch den Flusskanal an dem Trennglied fließenden Gases nach außen abgeführt wird.
Eine Perfluorschwefelsäure wird in vielen Fällen als Material für die Polymer-Elektrolytmembran verwendet, durch die das Wasserstoffion transportiert wird. Die Polymer-Elektrolytmembran leitet Ionen, wenn die Membran das Wasser ausreichend zurückhält, verliert jedoch im trockenen Zustand die Ionenleitfähigkeit. Damit die Energieerzeugungsreaktion effizient über die gesamte Fläche der Brennstoffzelle fortschreiten kann, muss also verhindert werden, dass das Innere der Zelle austrocknet, und muss eine in Bezug auf die Ebene gleichmäßige Wasserverteilung in der Zelle aufrechterhalten werden.
Um zu verhindern, dass das Innere der Zelle austrocknet und um eine in Bezug auf die Ebene gleichmäßige Wasserverteilung in der Zelle aufrechtzuerhalten, wurde bisher ein externes Befeuchtungsverfahren verwendet, in dem das Innere der Zelle von außen befeuchtet wird. In dem externen Befeuchtungsverfahren führt eine externe Befeuchtungseinrichtung ein Reaktionsgas zu, das einen Taupunkt oberhalb der Innentemperatur der Brennstoffzelle aufweist und damit für eine Überbefeuchtung der Zelle sorgt. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die Zufuhr des Reaktionsgases zu der Katalysatorschicht verhindert wird, weil Wassertröpfchen in der Gasdiffusionsschicht erzeugt werden. Außerdem weist das Verfahren den weiteren Nachteil auf, dass es schwierig ist, die Kosten für das Brennstoffzellensystem zu vermindern, weil die externe Befeuchtungseinrichtung erforderlich ist. Weiterhin weist das Verfahren den weiteren Nachteil auf, dass es schwierig ist, die Brennstoffzelle mit einer hohen Temperatur zu betreiben, bei der eine hohe Effizienz der Energieerzeugung erwartet wird, weil die Innentemperatur der Brennstoffzelle niedriger als der Taupunkt des Reaktionsgases sein muss, der durch die externe Befeuchtungseinrichtung vorgesehen wird.
Als ein Verfahren, das die oben genannten Nachteile des externen Befeuchtungsverfahrens beseitigt, wurde ein internes Befeuchtungsverfahren vorgeschlagen, bei dem das Innere der Zelle befeuchtet wird, indem das durch die Energieerzeugungsreaktion erzeugte Wasser in die Zelle diffundiert wird. In dem internen Befeuchtungsverfahren neigt die in der Nähe des Einlasses des reaktiven Gases vorgesehene Polymer-Elektrolytmembran jedoch dazu, auszutrocknen, weil das von außen zugeführte reaktive Gas trocken ist. Andererseits wird eine in der Nähe des Auslasses des reaktiven Gases angeordnete Polymer-Elektrolytmembran häufig übermäßig befeuchtet, weil das reaktive Gas, das durch den Gasflusskanal hindurchgeht, das durch die Energieerzeugungsreaktion erzeugte Wasser enthält. Bei dem internen Befeuchtungsverfahren wird die auf die Ebene bezogene Wasserverteilung in der Zelle ungleichmäßig, wobei der Energieerzeugungsreaktionsprozess hauptsächlich an der Außenseite des reaktiven Gases fortschreitet. Deshalb weist das interne Befeuchtungsverfahren weiterhin den Nachteil auf, dass die Energieerzeugungseffizienz der gesamten Zelle vermindert wird.
Als ein Verfahren, das den oben geschilderten Nachteil des internen Befeuchtungsverfahrens beseitigt, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Verteiler zum Zuführen von Reaktionsgas neben einem Verteiler zum Abführen von Reaktionsgas angeordnet ist (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1).
1 ist eine Vorderansicht (perspektivische Ansicht) einer Brennstoffzelle gemäß dem Patentdokument 1. Der Aufbau eines Trennglieds auf der Seite der Brennstoffelektrode ist durch durchgezogene Linien wiedergegeben, und der Aufbau eines Trennglieds auf der Seite der Luftelektrode ist durch Strichlinien wiedergegeben. In 1 sind ein Brennstoffgas-Zuführverteiler 10 und ein Brennstoffgas-Abführverteiler 12 derart angeordnet, dass sie zueinander benachbart sind, wobei sie miteinander über einen Brennstoffgas-Flusskanal 14 mit einer rechteckigen Geometrie verbunden sind. Entsprechend sind ein Oxidationsgas-Zuführverteiler 20 und ein Oxidationsgas-Abführverteiler 22 derart angeordnet, dass sie zueinander benachbart sind, wobei sie miteinander über einen Oxidationsgas-Flusskanal 24 mit einer rechteckigen Geometrie verbunden sind. Die vorstehend geschilderte Konfiguration gestattet, dass das Wasser in der Nähe des Auslasses des Reaktionsgases (auf der Seite des Reaktionsgas-Abführverteilers) zu der Einlassseite des Reaktionsgases (auf der Seite des Reaktionsgas-Zuführverteilers) durch eine Elektrolytmembran transportiert wird. Auf diese Weise kann eine übermäßige Befeuchtung des Gases auf der Auslassseite verhindert werden und kann ein Austrocknen des Gases auf der Einlassseite verhindert werden.
Indem wie oben beschrieben der Reaktionsgas-Zuführverteiler und der Reaktionsgas-Abführverteiler derart angeordnet werden, dass sie zueinander benachbart sind, kann das Wasser durch die Elektrolytmembran in der Ebenenrichtung transportiert werden, sodass die auf die Ebene bezogene Wasserverteilung der Polymer-Elektrolytmembran gleichmäßig vorgesehen werden kann.
Die Brennstoffzelle des Patentdokuments 1 weist jedoch den Nachteil auf, dass komplexe Aufbauten in der Zelle und in dem Stapel erforderlich sind, um die Zellenfläche groß vorzusehen. Das bedeutet, dass bei der Brennstoffzelle des Patentdokuments 1 die Anzahl der Verteiler und der assoziierten Aufbauten erhöht werden muss, wenn die Seitenlänge der Zelle größer wird, weil der Reaktionsgas-Zuführverteiler und der Reaktionsgas-Abführverteiler derart angeordnet sind, dass sie zueinander in jedem rechteckigen Gasflusskanal benachbart sind (siehe 1). Wenn also die Zellenfläche groß vorgesehen wird, werden die Aufbauten im Inneren der Zelle und im Stapel komplex, wodurch die Produktionskosten der Brennstoffzelle erhöht werden.
Weiterhin weist die Brennstoffzelle des Patentdokuments 1 auch den Nachteil auf, dass sie geringe Fähigkeiten zum Transportieren des Wassers in einer Ebenenrichtung aufweist.
Das heißt, das Wasser kann effizienter zwischen der Auslassseite und der Inlandseite des reaktiven Gases transportiert werden, wenn die Differenz in den Mengen des auf jeder Seite zurückgehaltenen Wassers größer ist. Um die Wassermenge auf der Auslassseite des reaktiven Gases zu erhöhen, kann die Länge des Reaktionsgas-Flusskanals größer vorgesehen werden. Weil jedoch in der Brennstoffzelle des Patentdokuments 1 der Gasflusskanal eine rechteckige Geometrie aufweist, ist die Länge des Gasflusskanals durch die Seitenlänge der Zelle und die Distanz zwischen den Verteilern beschränkt (siehe 1). Deshalb weist die Brennstoffzelle des Patentdokuments 1 geringe Fähigkeiten zum Transportieren des Wassers in einer Ebenenrichtung auf.
Als ein Verfahren, mit dem sich die oben genannten Nachteile beseitigen lassen, wurde das Verfahren des Patentdokuments 2 vorgeschlagen.
2 ist eine Vorderansicht eines Trennglieds auf der Seite einer Luftelektrode einer Brennstoffzelle gemäß dem Patentdokument 2. In 2 sind ein Oxidationsgas-Zuführverteiler 1a und ein Oxidationsgas-Abführverteiler 1b derart angeordnet, dass sie zueinander benachbart sind. Außerdem sind die Flusskanäle 25 mäanderförmige Vorwärts- und Rückwärtsflusskanäle, wobei der Vorwärtsflusskanal und der Rückwärtsflusskanal zueinander benachbart sind. Diese Konfiguration gestattet eine Reduktion in der Anzahl der Verteiler. Daraus resultiert, dass der Aufbau der Zelle und des Stapels kaum komplexer wird, wenn die Fläche der Brennstoffzelle vergrößert wird. Die Rippen, die den Umriss des Flusskanals bestimmen, sind porös und weisen Kapillaren auf, die den Vorwärtsflusskanal mit dem Rückwärtsflusskanal verbinden. Diese Konfiguration gestattet, dass das Wasser auf der Auslassseite des reaktiven Gases (auf der Seite des Reaktionsgas-Abführverteilers) zu der Einlassseite des reaktiven Gases (auf der Seite des Reaktionsgas-Zuführverteilers) transportiert wird. Deshalb kann die auf die Ebene bezogene Wasserverteilung einer Polymer-Elektrolytmembran gleichmäßig vorgesehen werden.
Um den Teildruck des Reaktionsgases auf der Einlassseite des Reaktionsgases (auf der Seite des Reaktionsgas-Zuführverteilers) und den Teildruck des Reaktionsgases auf der Auslassseite des Reaktionsgases (auf der Seite des Reaktionsgas-Abführverteilers) gleichmäßig vorzusehen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, in dem die Querschnittfläche eines Reaktionsgas-Flusskanals von der vorgeordneten Seite zu der nachgeordneten Seite mit einem bestimmten Verhältnis vermindert wird (siehe zum Beispiel das Patentdokument 3). In dem Patentdokument 3 besteht der Reaktionsgas-Flusskanal aus mehreren Kanälen, die parallel miteinander verbunden sind. Die Anzahl der parallelen Flusskanäle des nachgeordneten Teils ist kleiner als die Anzahl der parallelen Flusskanäle des vorgeordneten Teils, sodass die Querschnittfläche in dem nachgeordneten Teil im Vergleich zu der Querschnittfläche in dem vorgeordneten Teil vermindert ist. Weiterhin ist der Gasflusskanal in dem Patentdokument 3 schlangenförmig, um die Anzahl der Verteiler zu vermindern.
Patentdokument 1: offen gelegte japanische
Patentveröffentlichung Nr. JP 2002-151105 A
Patentdokument 2: offen gelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. JP 2003-109620 A
Patentdokument 3: offen gelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. JP S56-134473 A
Die Druckschrift WO 03/088378 A2 beschreibt eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle oder einen elektrochemischen Reaktor. Die bipolare Platte weist eine Anodenseite und eine dieser gegenüberliegenden Kathodenseite auf. Die Anodenseite enthält ein Anodenströmungsfeld, das einen Anodenreaktanden an die Anode liefert und eine Spiralform aufweist. Die Kathodenseite enthält ein Kathodenströmungsfeld, das einen Kathodenreaktanden an die Kathode liefert und ebenfalls eine Spiralform aufweist. Jedes der Anoden- und Kathodenströmungsfelder hat einen Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass an einem Abschnitt der Bipolarplatte positioniert ist, der dem Einlaß gegenüberliegt.
Die Druckschrift US 6551736 B1 beschreibt eine Kollektorplatte für eine Brennstoffzelle. Die Kollektorplatte ist mit einem oder mehreren Kanälen versehen, die für den Transport von Reaktanden zu einer Gasdiffusionsschicht und die Abfuhr von Wasser von der Gasdiffusionsschicht vorgesehen sind.
Die Druckschrift DE 100 42 744 A1 beschreibt einen PEM-Brennstoffzellenstapel bestehend aus einer oder mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Membran-Elektrodeneinheit zwischen zwei elektrisch leitfähigen Bipolarplatten enthalten, welche auf ihren Oberflächen mit einseitig offenen Strömungskanälen für die Zuführung von Reaktivgasen ausgerüstet sind.
In der Brennstoffzelle des Patentdokument 2 werden durch die Kapillaren, die den Vorwärtsflusskanal mit dem Rückwärtsflusskanal verbinden, das Reaktionsgas und Wasser von der vorgeordneten Seite des Flusskanals zu der nachgeordneten Seite des Flusskanals transportiert. Daraus resultiert, dass die Brennstoffzelle des Patentdokuments 2 den Nachteil aufweist, dass schwierig eine ausreichende Menge des Reaktionsgases auf die gesamte Zelle verteilt werden kann, weil das Reaktionsgas von der vorgeordneten Seite des Flusskanals zu der nachgeordneten Seite des Flusskanals transportiert wird und das Reaktionsgas zwischen der vorgeordneten Seite des Flusskanals und der nachgeordneten Seite des Flusskanals zirkuliert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle anzugeben, die eine auf die Ebene bezogene gleichmäßige Wasserverteilung eines Polymer-Elektrolyten vorsehen kann und ein Oxidationsgas ausreichend zu einer Luftelektroden-Katalysatorschicht zuführen kann.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen eines der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche zeigen vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung auf.
Eine Brennstoffzelle umfasst eine Membranenelektrodenanordnung aus einer Polymer-Elektrolytmembran und einem Paar von Katalysatorelektroden besteht, zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, sowie ein Trennglied mit einem Gasflusskanal, der ein Brennstoffgas oder ein Oxidationsgas zu der Membranenelektrodenanordnung zuführt. Der Gasflusskanal ist S-förmig oder spiralförmig ausgebildet. Ein vorgeordneter Flusskanal des Gasflusskanals ist einem nachgeordneten Flusskanal des Gasflusskanals benachbart. Die Wand des Gasflusskanals weist keine Gasdurchlässigkeit auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die auf die Ebene bezogene Wasserverteilung einer Polymer-Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle gleichmäßig vorgesehen werden. Insbesondere kann die auf die Ebene bezogene Wasserverteilung der Polymer-Elektrolytmembran auch bei einem Betrieb unter einer hohen Temperatur und in einem wenig befeuchteten Zustand oder unter einer hohen Temperatur und in einem nicht befeuchteten Zustand gleichmäßig vorgesehen werden, sodass eine Brennstoffzelle vorgesehen werden kann, die unter einer hohen Temperatur und in einem wenig befeuchteten Zustand oder unter einer hohen Temperatur und in einem nicht befeuchteten Zustand betrieben werden kann. Außerdem kann verhindert werden, dass das Oxidationsgas zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal transportiert wird, sodass das Reaktionsgas effizient zu der Luftelektroden-Katalysatorschicht zugeführt werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Vorderansicht eines Trennglieds einer herkömmlichen Brennstoffzelle.
2 ist eine Vorderansicht eines Trennglieds einer anderen herkömmlichen Brennstoffzelle.
3 ist eine Vorderansicht eines Trennglieds, die ein Beispiel für den Aufbau eines Reaktionsgas-Flusskanals gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle in den beispielhaften Ausführungsformen 1 bis 8 der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Vorderansicht eines Brennstoffelektroden-Trennglieds in der beispielhaften Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Vorderansicht eines Luftelektroden-Trennglieds in der beispielhaften Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle in der beispielhaften Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Querschnittansicht eines Brennstoffzellenstapels in der beispielhaften Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Vorderansicht eines Luftelektroden-Trennglieds in der beispielhaften Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Vorderansicht eines Luftelektroden-Trennglieds in der beispielhaften Ausführungsform 4.
11 ist eine Vorderansicht eines Luftelektroden-Trennglieds in der beispielhaften Ausführungsform 5.
12 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle in der beispielhaften Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Vorderansicht eines Luftelektroden-Trennglieds in der beispielhaften Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Kurvendiagramm, das die Ergebnisse eines beispielhaften Experiments 1 zeigt.
15 ist ein Kurvendiagramm, das die Ergebnisse eines beispielhaften Experiments 2 zeigt.
Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung weist wenigstens eine Zelle auf. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann nämlich eine einzelne Brennstoffzelle oder ein aus einer Vielzahl von Zellen bestehender Brennstoffzellenstapel sein. Allgemein ist die Brennstoffzelle oder der Stapel zwischen Kollektorplatten, Isolatorplatten und Anschlussplatten angeordnet und weiterhin durch Befestigungsstangen fixiert.
Die Brennstoffzelle umfasst eine Polymer-Elektrolytmembran, ein Paar von Katalysatorelektroden, zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, und Trennglieder, zwischen denen eine MEA (eine Anordnung aus der Polymer-Elektrolytmembran und den Katalysatorelektroden) angeordnet ist. Jede Katalysatorelektrode besteht aus einer Katalysatorschicht, die auf der Seite der Polymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Gasdiffusionsschicht, die auf der Seite des Trennglieds angeordnet ist.
Die Polymer-Elektrolytmembran ist eine Polymermembran, die eine Leitfähigkeit für Wasserstoffionen aufweist. Hinsichtlich des Materials der Polymer-Elektrolytmembran sind keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, solange das Material wahlweise ein Wasserstoffion transportieren kann.
Die Katalysatorschicht enthält einen Katalysator für die Redoxreaktion von Wasserstoff oder Sauerstoff. Hinsichtlich der Katalysatorschicht sind keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, solange die Katalysatorschicht elektrisch leitend und katalytisch aktiv für die Redoxreaktion von Wasserstoff oder Sauerstoff ist.
Die Gasdiffusionsschicht ist eine poröse Schicht, die elektrisch leitend ist. Hinsichtlich des Materials der Gasdiffusionsschicht sind keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, solange das Material elektrisch leitend ist und ein Reaktionsgas diffundieren kann. Die Gasdiffusionsschicht kann eine Gasdiffusionsbasismaterialschicht, die ein von der Seite des Trennglieds zu der Katalysatorschicht zugeführtes Gas diffundiert, und eine Kohlenstoffmantelschicht umfassen, die den Kontakt zwischen der Gasdiffusionsbasismaterialschicht und der Katalysatorschicht verbessert.
Das Trennglied ist eine elektrisch leitende Platte mit einem Brennstoffgas-Flusskanal auf der Fläche in Kontakt mit einer Brennstoffelektrode und einem Oxidationsgas-Flusskanal auf der Fläche in Kontakt mit der Luftelektrode. Als Material für das Trennglied kann zum Beispiel Kohlenstoff, Metall oder ähnliches verwendet werden. Die Fläche des Trennglieds mit dem Gasflusskanal weist einen vertieften Teil und einen vorstehenden Teil auf, wobei der vertiefte Teil den Gasflusskanal bildet.
Das Trennglied kann ein Kohlenstofftrennglied sein, das vorbereitet wird, indem eine Rohmaterial-Pulvermischung aus Kohlenstoffpulver und ein Kunstharzbindemittel in eine Form gefüllt werden, wobei dann Druck und Wärme auf die Rohmaterial-Pulvermischung in der Form angewendet werden. Ein derartiges Kohlenstofftrennglied wird zum Beispiel in der offen gelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-243409 beschrieben.
Weiterhin kann das Trennglied ein Metalltrennglied sein, das aus einer Metallplatte ausgebildet wird. Ein derartiges Metalltrennglied wird zum Beispiel in den offen gelegten japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 2003-203644 und 2005-276637 beschrieben.
Die Metallplatte des Metalltrennglieds weist eine Vorderfläche und eine Rückfläche auf. Die Metallplatte kann derart ausgebildet sein, dass die vertieften Teile auf der Vorderfläche den vorstehenden Teilen auf der Rückfläche entsprechen und dass die vorstehenden Teile auf der Vorderfläche den vertieften Teilen auf der Rückfläche entsprechen. Hinsichtlich des Verfahrens zum Ausbilden eines Reaktionsgas-Flusskanals auf der Metallplatte werden keine besonderen Beschränkungen vorgegeben. Zum Beispiel kann eine Pressverarbeitung verwendet werden, um den Reaktionsgas-Flusskanal auszubilden.
Hinsichtlich des Materials der Metallplatte werden keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, solange das Material eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine Korrosionsbeständigkeit aufweist. Als Material für die Metallplatte kann zum Beispiel rostfreier Stahl verwendet werden. Hinsichtlich der Dicke der Metallplatte werden keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, solange die Metallplatte eine ausreichende Stärke aufweist, um das Trennglied zu bilden. Zum Beispiel weist die Metallplatte eine Dicke von 0,01 mm bis 1 mm auf. Hinsichtlich der Größe der Metallplatte werden keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, solange die Metallplatte ausreichend groß ist, um die MEA zu umgeben, sodass eine geeignete Metallplatte ausgewählt werden kann.
Unter Verwendung des Metalltrennglieds kann eine ausreichende Stärke des Trennglieds auch dann erhalten werden, wenn die Dicke des Trennglieds 1 mm oder weniger beträgt. Daraus resultiert, dass die Größe und das Gewicht der Zelle und des Stapels reduziert werden können. Außerdem kann das Metalltrennglied einfach durch eine Pressverarbeitung oder ähnliches hergestellt werden, sodass eine Reduktion der Produktionskosten und eine Massenproduktion möglich sind.
Der Reaktionsgas-Flusskanal auf dem Trennglied wird derart ausgebildet, dass der Flusskanal in der Nähe des Einlasses des Gasflusskanals (nachfolgend als „vorgeordneter Flusskanal” bezeichnet) und der Flusskanal in der Nähe des Auslasses des Gasflusskanals (nachfolgend als „nachgeordneter Flusskanal” bezeichnet) zueinander benachbart in derselben Ebene angeordnet sind, sodass das Reaktionsgas zu der gesamten Fläche der Katalysatorelektrode geführt werden kann. Weiterhin ist die Wand des Reaktionsgas-Flusskanals derart ausgebildet, dass die Wand keine Durchlässigkeit für das Reaktionsgas aufweist. Unter einer „Wand des Reaktionsgas-Flusskanals” ist der vorstehende Teil des Trennglieds zu verstehen, der zwischen den zwei zueinander benachbarten Reaktionsgas-Flusskanälen vorgesehen ist. Um das Reaktionsgas zu der gesamten Fläche der Katalysatorelektrode zuzuführen, kann der Reaktionsgas-Flusskanal zum Beispiel S-förmig oder spiralförmig ausgebildet sein. Es ist zu beachten, dass der vorgeordnete Flusskanal und der nachgeordnete Flusskanal des einen Gasflusskanals nicht unbedingt nebeneinander angeordnet sein müssen. Es können auch der vorgeordnete Flusskanal eines ersten Gasflusskanals und der nachgeordnete Flusskanal eines zweiten Flusskanals zueinander benachbart sein. Wenn die Dicke der Gasdiffusionsschicht zwischen 200 μm und 300 μm beträgt, die Breite des Flusskanals 1,1 mm beträgt und die Tiefe des Flusskanals 1,1 mm beträgt, ist die Effizienz der Energieerzeugung der Brennstoffzelle am höchsten, wenn ein Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal zwischen 2,2 und 3,3 mm beträgt. Wenn also die Dicke der Gasdiffusionsschicht zwischen 200 und 300 μm beträgt, die Breite des Flusskanals 1,1 mm beträgt und die Tiefe des Flusskanals 1,1 mm beträgt, beträgt der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal vorzugsweise zwischen 2,2 und 3,3 mm. Ein Beispiel für den Aufbau eines Reaktionsgas-Flusskanals ist in 3 gezeigt.
In einem in 3A gezeigten Beispiel ist ein Reaktionsgas-Flusskanal 102 auf einem Trennglied 100 ein Vorwärts- und Rückwärtsflusskanal, der derart ausgebildet ist, dass ein Reaktionsgas-Vorwärtsflusskanal 104 und ein Reaktionsgas-Rückwärtsflusskanal 106 in zueinander entgegen gesetzten Richtungen über den gesamten Flusskanal ausgebildet sind. Der Reaktionsgas-Vorwärtsflusskanal 104 erstreckt sich von dem Flusskanaleinlass 108 zu dem Umkehrteil 112, und der Reaktionsgas-Rückwärtsflusskanal 106 erstreckt sich von dem Umkehrteil 112 zu einem Flusskanalauslass 110. Der Vorwärtsflusskanal 104 und der Rückwärtsflusskanal 106 sind S-förmig, aber zueinander benachbart. Unter „in entgegen gesetzten Richtungen” ist hier zu verstehen, dass die zwei Flusskanäle einander benachbart sind, wobei die Flussrichtungen des Reaktionsgases in den beiden Flusskanälen einander entgegen gesetzt sind. Wie zuvor genannt, sind die Reaktionsgas-Flusskanäle vorzugsweise nicht nur in der Nähe des Einlasses und des Auslasses der Reaktionsgas-Flusskanäle, sondern entlang der gesamten Flusskanäle (entlang des vorgeordneten Flusskanals und des nachgeordneten Flusskanals) in zueinander entgegen gesetzten Richtungen vorgesehen. Weiterhin sind der Flusskanaleinlass 108 und der Flusskanalauslass 110 vorzugsweise zueinander benachbart.
In einem in 3B gezeigten Beispiel ist der Reaktionsgas-Flusskanal 102 ein Vorwärts- und Rückwärtsflusskanal, der dem Beispiel von 3A ähnlich ist. Der Reaktionsgas-Vorwärtsflusskanal 104 und der Reaktionsgas-Rückwärtsflusskanal 106 sind spiralförmig ausgebildet, aber zueinander benachbart.
In einem in 3C gezeigten Beispiel sind zwei Reaktionsgas-Flusskanäle 102a und 102b auf dem Trennglied 100 ausgebildet. Die Reaktionsgas-Flusskanal 102a und der Reaktionsgas-Flusskanal 102b verlaufen in entgegen gesetzten Richtungen jeweils über die gesamten Flusskanäle, wobei der Reaktionsgas-Flusskanal 102a und der Reaktionsgas-Flusskanal 102b S-förmig ausgebildet und zueinander benachbart sind.
Wenn in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ein Wasserstoffgas enthaltendes Brennstoffgas zu dem Brennstoffgas-Flusskanal an dem Trennglied zugeführt wird und ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas zu dem Oxidationsgas-Flusskanal zugeführt wird, kann elektrische Energie in Übereinstimmung mit den weiter unten genannten Reaktionen erhalten werden.
Zuerst diffundiert das zu der Brennstoffelektrode zugeführte Wasserstoffmolekül durch die Gasdiffusionsschicht und erreicht die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode. An der Katalysatorschicht teilt sich das Wasserstoffmolekül in ein Wasserstoffion und ein Elektron. Das Wasserstoffion wird durch die befeuchtete Polymer-Elektrolytmembran zu der Luftelektrode transportiert. Das Elektron wird durch einen externen Kreislauf zu der Luftelektrode transportiert. Dabei kann das durch den externen Kreislauf gehende Elektron als elektrische Energie genutzt werden. An der Katalysatorschicht der Luftelektrode zu der Luftelektrode reagieren das durch die Polymer-Elektrolytmembran zu der Luftelektrode transportierte Wassrstoffion, das durch den externen Kreislauf zu der Luftelektrode transportierte Elektron und zu der Luftelektrode zugeführter Sauerstoff und erzeugen Wasser.
In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung sind der vorgeordnete Flusskanal und der nachgeordnete Flusskanal des Reaktionsgas-Flusskanals derart ausgebildet, dass sie zueinander benachbart sind, sodass Wasser in einer Ebenenrichtung innerhalb der Brennstoffzelle transportiert wird. Der Wasserstransport in der Ebenenrichtung auf der Seite der Luftelektrode wird nachfolgend erläutert.
Bei der Energieerzeugung wird die Temperatur der Brennstoffzelle hoch, sodass das an der Luftelektroden-Katalysatorschicht erzeugte Wasser verdampft. Der Dampf wird durch Diffusion in die Gasdiffusionsschicht der Luftelektrode transportiert und befeuchtet das Oxidationsgas in dem Oxidationsgas-Flusskanal. Der Dampfteildruck in dem Oxidationsgas, das durch den Oxidationsgas-Flusskanal fließt, erhöht sich, wenn das Oxidationsgas von dem Einlass zu dem Auslass fließt. Das heißt, der Dampfteildruck des in dem nachgeordneten Flusskanal des Oxidationsgas-Flusskanals fließenden Oxidationsgases wird höher als der Dampfteildruck des in dem vorgeordneten Flusskanal in Nachbarschaft zu dem nachgeordneten Flusskanal fließenden Oxidationsgases. Aufgrund der Differenz zwischen den Dampfteildrücken wird ein Teil des in dem nachgeordneten Flusskanal fließenden Dampfes durch die Gasdiffusionsschicht zu dem vorgeordneten Kanal in Nachbarschaft zu dem nachgeordneten Kanal transportiert.
Daraus resultiert, dass Wasser in einer Ebenenrichtung von dem nachgeordneten Kanal zu dem vorgeordneten Kanal transportiert wird.
Indem also in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung der vorgeordnete Flusskanal und der nachgeordnete Flusskanal derart angeordnet sind, dass sie zueinander benachbart sind, kann die Differenz zwischen der Wassermenge in dem durch den vorgeordneten Flusskanal fließenden Reaktionsgas und der Wassermenge in dem durch den nachgeordneten Flusskanal fließenden Reaktionsgas reduziert werden. Auf diese Weise kann eine übermäßige Befeuchtung der Polymer-Elektrolytmembranan dem Teil in Nachbarschaft zu dem nachgeordneten Flusskanal unterdrückt werden und kann ein Austrocknen der Polymer-Elektrolytmembranan dem Teil in Nachbarschaft zu dem vorgeordneten Flusskanal unterdrückt werden. Obwohl nämlich die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung in einer nicht-befeuchteten Bedingung (internes Befeuchtungsverfahren) betrieben wird, kann die auf die Ebene bezogene Wasserverteilung in der Zelle gleichmäßig vorgesehen werden.
Weiterhin ist in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung der Reaktionsgas-Flusskanal S-förmig oder spiralförmig ausgebildet, während der vorgeordnete Flusskanal und der nachgeordnete Flusskanal in Nachbarschaft zueinander gehalten werden. Deshalb kann die Anzahl der Verteiler und der assoziierten Glieder reduziert werden und kann der Aufbau der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellenstapels vereinfacht werden. Außerdem kann die Länge des Gasflusskanals verlängert werden indem der Gasflusskanal S-förmig oder spiralförmig ausgebildet wird, sodass die Differenz in den Dampfteildrücken zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal groß wird, sodass Wasser in der Ebenenrichtung effizienter als unter Verwendung der herkömmlichen Techniken transportiert werden kann.
Weiterhin ist in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung die Wand des Reaktionsgas-Flusskanals undurchlässig für das reaktive Gas, sodass eine Zirkulation des reaktiven Gases zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal unterdrückt werden kann. Deshalb kann das reaktive Gas effizient zu der Katalysatorschicht zugeführt werden.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Beispielhafte Ausführungsform 1
4 zeigt eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
In 4 umfasst die Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolytmembran 200, ein Paar von Katalysatorelektroden (eine Brennstoffelektrode 300 und eine Luftelektrode 400), zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran 200 angeordnet ist, und ein Paar von Trenngliedern (ein Brennstoffelektroden-Trennglied 600 und ein Luftelektroden-Trennglied 700), zwischen denen eine MEA 500 (eine Anordnung aus der Polymer-Elektrolytmembran 200 und den Katalysatorelektroden 200 und 400) angeordnet ist. Die Trennglieder 600 und 700 sind zum Beispiel aus Kohlenstoff ausgebildet. Das Brennstoffelektroden-Trennglied 600 weist einen Brennstoffgas-Flusskanal 614 auf. Das Luftelektroden-Trennglied 700 weist einen Oxidationsgas-Flusskanal 714 auf. Die Brennstoffelektrode 300 umfasst eine Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310, die auf der Seite der Polymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320, die auf der Seite des Brennstoffelektroden-Trennglieds angeordnet ist. Entsprechend umfasst die Luftelektrode 400 eine Luftelektroden-Katalysatorschicht 410, die auf der Seite der Polymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420, die auf der Seite des Luftelektroden-Trennglieds angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320 eine Brennstoffelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 330, die auf der Seite der Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht angeordnet ist, und eine Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 340, die auf der Seite des Brennstoffelektroden-Trennglieds angeordnet ist. Entsprechend umfasst die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420 eine Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430, die auf der Seite der Luftelektroden-Katalysatorschicht angeordnet ist, und eine Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440, die auf der Seite des Luftelektroden-Trennglieds angeordnet ist.
Die oben genannte Membran und die Schichten können als Polymer-Elektrolytmembran 200, Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310, Brennstoffelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 330, Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 340, Luftelektroden-Katalysatorschicht 410, Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430 und Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 verwendet werden.
5 ist eine Vorderansicht der Fläche des Brennstoffelektroden-Trennglieds 600 auf der Seite der Brennstoffelektrode von 4.
In 5 weist das Brennstoffelektroden-Trennglied 600 einen Brennstoffgas-Zuführverteiler 610, einen Brennstoffgas-Abführverteiler 612, einen Brennstoffgas-Flusskanal 614, eine Oxidationsgas-Zuführverteiler 630, einen Oxidationsgas-Abführverteiler 632, einen Kühlwasser-Zuführverteiler 640 und einen Kühlwasser-Abführverteiler 642 auf. Der Brennstoffgas-Flusskanal 614 umfasst einen Brennstoffgas-Vorwärtsflusskanal 618, der sich von dem Brennstoffgas-Zuführverteiler 610 zu einem Umkehrteil 616 der Vorwärts- und Rückwärtsflusskanäle erstreckt, und einen Brennstoffgas-Rückwärtsflusskanal 620, der sich von dem Umkehrteil 616 zu dem Brennstoffgas-Abführverteiler 612 erstreckt.
Der Brennstoffgas-Zuführverteiler 610 ist ein Loch, das verwendet wird, um ein Brennstoffgas zu jeder Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und führt das Brennstoffgas zu dem Brennstoffgas-Flusskanal 614 zu.
Der Brennstoffgas-Abführverteiler 612 ist ein Loch, das verwendet wird, um das Brennstoffgas aus jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels abzuführen, und führt das Brennstoffgas aus dem Brennstoffgas-Flusskanal 614 ab.
Der Brennstoffgas-Flusskanal 614 führt das durch den Brennstoffgas-Zuführverteiler 610 zugeführte Brennstoffgas zu der gesamten Fläche der Brennstoffelektrode 300 und ist S-förmig ausgebildet. Der Brennstoffgas-Vorwärtsflusskanal 618 und der Brennstoffgas-Rückwärtsflusskanal 620 sind derart ausgebildet, dass sie sich in entgegen gesetzten Richtungen erstrecken. Die Wand des Brennstoffgas-Flusskanals 614 ist derart ausgebildet, dass sie keine Durchlässigkeit für das Brennstoffgas aufweist.
Der Oxidationsgas-Zuführverteiler 630 ist ein Loch, das verwendet wird, um ein Oxidationsgas zu jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Der Oxidationsgas-Abführverteiler 632 ist ein Loch, das verwendet wird, um das Oxidationsgas aus jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels abzuführen.
Der Kühlwasser-Zuführverteiler 640 ist ein Loch, das verwendet wird, um Kühlwasser zu dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Der Kühlwasser-Abführverteiler 642 ist ein Loch, das verwendet wird, um das Kühlwasser aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen. Ein nicht in 5 gezeigter Kühlwasser-Flusskanal ist ein Flusskanal, der zwischen dem Kühlwasser-Zuführverteiler 640 und dem Kühlwasser-Abführverteiler 642 verbunden ist. Zum Beispiel ist der Kühlwasser-Flusskanal in dem Brennstoffelektroden-Trennglied 600 oder in dem Luftelektroden-Trennglied 700 ausgebildet. Zum Beispiel kann in einem Brennstoffzellenstapel der Kühlwasser-Flusskanal in einer Fläche des Brennstoffelektroden-Trennglieds 600 oder des Luftelektroden-Trennglieds 700 ausgebildet werden, wobei der Reaktionsgas-Flusskanal nicht auf der Fläche ausgebildet ist, sodass der Kühlwasser-Flusskanal zwischen dem Brennstoffelektroden-Trennglied 600 und dem Luftelektroden-Trennglied 700 angeordnet ist. Der Kühlwasser-Flusskanal kann in jeder Zelle oder in jeder soundsovielten Zelle ausgebildet sein. Hinsichtlich des Aufbaus des Kühlwasser-Flusskanals sind keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, wobei es sich um einen Aufbau mit mehreren parallelen und geraden Flusskanälen handeln kann, die jedoch auch S-förmig oder spiralförmig sein können.
6 ist eine Vorderansicht der Fläche des Luftelektroden-Trennglieds 700 auf der Seite der Luftelektrode von 4.
In 6 weist das Luftelektroden-Trennglied 700 einen Oxidationsgas-Zuführverteiler 710, einen Oxidationsgas-Abführverteiler 712, einen Oxidationsgas-Flusskanal 714, einen Brennstoffgas-Zuführverteiler 730, einen Brennstoffgas-Abführverteiler 732, einen Kühlwasser-Zuführverteiler 740 und einen Kühlwasser-Abführverteiler 742 auf. Der Oxidationsgas-Flusskanal 714 umfasst einen Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 718, der sich von dem Oxidationsgas-Zuführverteiler 710 zu einem Umkehrteil 716 der Vorwärts- und Rückwärtsflusskanäle erstreckt, und einen Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 720, der sich von dem Umkehrteil 716 zu dem Oxidationsgas-Abführverteiler 712 erstreckt.
Der Oxidationsgas-Zuführverteiler 710 ist ein Loch, das verwendet wird, um ein Oxidationsgas zu jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zuzuführen, und führt das Oxidationsgas zu dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 zu. Der Oxidationsgas-Zuführverteiler 710 ist mit dem Oxidationsgas-Zuführverteiler 630 von 5 verbunden.
Der Oxidationsgas-Abführverteiler 712 ist ein Loch, das verwendet wird, um das Oxidationsgas aus jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels abzuführen, und führt das Oxidationsgas aus dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 ab. Der Oxidationsgas-Abführverteiler 712 ist mit dem Oxidationsgas-Abführverteiler 632 von 5 verbunden.
Der Oxidationsgas-Flusskanal 714 führt das Oxidationsgas, das durch den Oxidationsgas-Zuführverteiler 710 zugeführte Gas zu der gesamten Fläche der Luftelektrode 400 und ist S-förmig ausgebildet. Der Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 718 und der Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 720 sind jeweils derart ausgebildet, dass sie entgegen gesetzte Richtungen aufweisen. Eine Wand des Oxidationsgas-Flusskanals 714 ist derart ausgebildet, dass sie keine Durchlässigkeit für das Oxidationsgas aufweist. Vorzugsweise beträgt die Breite des Oxidationsgas-Flusskanal 714 1,1 mm und beträgt die Tiefe desselben 1,1 mm. Weiterhin beträgt der Abstand zwischen dem nachgeordneten Flusskanal (dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 in der Nähe des Oxidationsgas-Abführverteilers 712) und dem vorgeordneten Flusskanal (dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 in der Nähe des Oxidationsgas-Zuführverteilers 710) vorzugsweise zwischen 2,2 und 3,3 mm. Der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal ist nämlich vorzugsweise 2 bis 3 mal so breit wie der Oxidationsgas-Flusskanal 714.
Der Brennstoffgas-Zuführverteiler 730 ist ein Loch, das verwendet wird, um ein Brennstoffgas zu jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Der Brennstoffgas-Zuführverteiler 730 ist mit dem Brennstoffgas-Zuführverteiler 610 von 5 verbunden.
Der Brennstoffgas-Abführverteiler 732 ist ein Loch, das verwendet wird, um das Brennstoffgas aus jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels abzuführen. Der Brennstoffgas-Abführverteiler 732 ist mit dem Brennstoffgas-Abführverteiler 612 von 5 verbunden.
Der Kühlwasser-Zuführverteiler 740 ist ein Loch, das verwendet wird, um Kühlwasser zu dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Der Kühlwasser-Zuführverteiler 740 ist mit dem Kühlwasser-Zuführverteiler 640 von 5 verbunden. Der Kühlwasser-Zuführverteiler 742 ist ein Loch, das verwendet wird, um das Kühlwasser aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen. Der Kühlwasser-Abführverteiler 742 ist mit dem Kühlwasser-Abführverteiler 642 von 5 verbunden.
Im Folgenden wird der Mechanismus der Energieerzeugung während des Betriebs für eine Brennstoffzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert.
Ein zu den Brennstoffgas-Zuführverteilern 610 und 730 der Brennstoffzelle zugeführtes Brennstoffgas wird zu dem Brennstoffgas-Flusskanal 614 an dem Brennstoffelektroden-Trennglied 600 zugeführt. Das Brennstoffgas in dem Brennstoffgas-Flusskanal 614 wird durch Diffusion durch die Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320 zu der Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310 transportiert.
Weiterhin wird ein zu den Oxidationsgas-Zuführverteilern 630 und 710 der Brennstoffzelle zugeführtes Oxidationsgas zu dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 an dem Luftelektroden-Trennglied 700 zugeführt. Das Oxidationsgas in dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 wird durch Diffusion durch die Luftelektroden-Diffusionsschicht 420 zu der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 transportiert.
In der Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310 wird das in dem Brennstoffgas enthaltene Wasserstoffmolekül, das aus dem Brennstoffgas-Flusskanal 614 transportiert wurde, in ein Wasserstoffion und ein Elektron geteilt. Das Wasserstoffion wird durch Diffusion durch die Wasser enthaltende Polymer-Elektrolytmembran 200 zu der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 transportiert. Weiterhin wird das Elektron durch einen nicht in 6 gezeigten externen Kreislauf zu der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 transportiert.
An der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 reagieren das durch die Polymer-Elektrolytmembran 200 transportierte Wasserstoffion, das durch den externen Kreislauf transportierte Elektron und der aus dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 transportierte Sauerstoff und erzeugen Wasser.
Die Temperatur der Brennstoffzelle wird bei der Energieerzeugung hoch, sodass das erzeugte Wasser verdampft. Der Dampf wird durch Diffusion durch die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420 zu dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 transportiert und befeuchtet das Oxidationsgas in dem Oxidationsgas-Flusskanal 714. Das Oxidationsgas wird stärker befeuchtet, wenn es durch den Oxidationsgas-Flusskanal 714 fließt. Daraus resultiert, dass ein Teildruck des Dampfes in dem Oxidationsgas, das durch den Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 720 fließt, höher wird als der Teildruck des Dampfes in dem Oxidationsgas, das durch den Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 718 in entgegen gesetzter Richtung zu dem Rückwärtsflusskanal fließt. Die resultierende Differenz in den Teildrücken des Dampfes ist insbesondere zwischen dem nachgeordneten Flusskanal und dem vorgeordneten Flusskanal groß. Durch diese Differenz in den Teildrücken des Dampfes wird der Dampf in dem Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 720 in der Ebenenrichtung durch die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420 zu dem Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 718 transportiert, der in entgegen gesetzter Richtung zu dem Rückwärtsflusskanal liegt. Daraus resultiert, dass die Teildruckverteilung des Dampfes in dem Oxidationsgas-Flusskanal 714 gleichmäßig wird.
Auf der Seite der Brennstoffelektrode mit dem oben beschriebenen Mechanismus wird der Dampf in dem Brennstoffgas-Rückwärtsflusskanal 620 in einer Ebenenrichtung durch die Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320 zu dem entgegen gesetzten Brennstoffgas-Vorwärtsflusskanal 618 transportiert.
Wie oben genannt, sind gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der Vorwärtsflusskanal und der Rückwärtsflusskanal des Reaktionsgas-Flusskanals in entgegen gesetzten Richtungen über den gesamten Flusskanal vorgesehen, sodass die Teildruckverteilung des Dampfes in dem Reaktionsgas-Flusskanal gleichmäßig vorgesehen werden kann Deshalb kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die gesamte Fläche der Brennstoffzelle effizient genutzt werden, sodass eine hohe Energieerzeugungsleistung und Stabilität erzielt werden können.
Indem außerdem die Wand des Reaktionsgas-Flusskanals ohne Gasdurchlässigkeit für das Reaktionsgas ausgebildet ist, kann eine Zirkulation des Reaktionsgases zwischen dem nachgeordneten Flusskanälen und dem vorgeordneten Flusskanal verhindert werden. Daraus resultiert, dass das Reaktionsgas effizient zu der Katalysatorschicht zugeführt werden kann.
Weiterhin ist gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der Reaktionsgas-Flusskanal S-förmig ausgebildet, sodass das Reaktionsgas auch dann zu der gesamten Fläche der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, wenn die Anzahl der Reaktionsgas-Flusskanäle und der verschiedenen Verteiler kleiner ist. Deshalb können gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform eine hohe Leistung und eine Stabilität der Energieerzeugung erzielt werden, ohne dass der Aufbau der Zelle und des Stapels komplex werden, wenn die Zellenfläche groß vorgesehen wird.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird jeweils ein Trennglied, das einen Reaktionsgas-Flusskanal mit einem Vorwärtsfluss- und Rückwärtsflusskanälen in entgegen gesetzten Richtungen in derselben Ebene aufweist, auf der Seite der Brennstoffelektroden und der Luftelektrode vorgesehen. Das Trennglied kann aber auch nur auf der Seite der Luftelektrode vorgesehen werden, an der Dampf erzeugt wird.
Weiterhin sind in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zwei Gasflusskanäle zwischen einem Paar von Verteilern vorgesehen, wobei die Anzahl der Gasflusskanäle aber auch auf drei oder mehr gesetzt werden kann.
Beispielhafte Ausführungsform 2
In der beispielhaften Ausführungsform 2 wird ein Beispiel beschrieben, in dem Metall als Material für das Trennglied verwendet wird.
Eine Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 2 wird vorgesehen, indem das Luftelektroden-Trennglied 700 der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 1 von 4 durch ein Luftelektroden-Trennglied 900 ersetzt wird und indem weiterhin das Brennstoffelektroden-Trennglied 600 durch ein Brennstoffelektroden-Trennglied 800 ersetzt wird. Die anderen Komponenten neben dem Luftelektroden-Trennglied 900 und dem Brennstoffelektroden-Trennglied 800, die einen gleichen Aufbau wie in der beispielhaften Ausführungsform 1 aufweisen, werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben und hier nicht nochmals beschrieben.
7 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Identische Komponenten wie etwas das Luftelektroden-Trennglied 700 und das Brennstoffelektroden-Trennglied 600 in der beispielhaften Ausführungsform 1 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird.
In 7 ist ein Metalltrennglied aus einer Metallplatte ausgebildet. Das Brennstoffelektroden-Trennglied 600 weist einen Brennstoffgas-Flusskanal 814 auf. Das Luftelektroden-Trennglied 900 weist einen Oxidationsgas-Flusskanal 914 auf.
Die Form des Oxidationsgas-Flusskanals 914 und des Brennstoffgas-Flusskanals 814 kann identisch sein mit derjenigen des Oxidationsgas-Flusskanals 714. Das heißt, der Oxidationsgas-Flusskanal 914 führt das von dem Oxidationsgas-Zuführverteiler zugeführte Oxidationsgas zu der gesamten Fläche der Luftelektrode 400 zu und ist S-förmig ausgebildet. Der Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal und der Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal sind derart ausgebildet, dass sie einander entgegen gesetzte Richtungen aufweisen. Der Brennstoffgas-Flusskanal 814 führt das von dem Brennstoffgas-Zuführverteiler zugeführte Brennstoffgas zu der gesamten Fläche der Brennstoffelektrode 300 zu und ist S-förmig ausgebildet. Der Brennstoffgas-Vorwärtsflusskanal und der Brennstoffgas-Rückwärtsflusskanal sind derart ausgebildet, dass sie einander entgegen gesetzte Richtungen aufweisen.
8 ist eine Querschnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, der durch Stapeln der Brennstoffzelle von 7 erhalten wird.
In 8 weist der Brennstoffzellenstapel einen Aufbau auf, der durch alternierende Stapelns einer MEA 500 und eines kombinierten Metalltrennglieds 1000 erhalten wird, wobei das kombinierte Metalltrennglied 1000 ein Metalltrennglied 800 und ein Metalltrennglied 900 umfasst. Auf der Seite der Brennstoffgas-Diffusionsschicht des kombinierten Metalltrennglieds 1000 ist der Brennstoffgas-Flusskanal 814 ausgebildet, und auf der Seite der Oxidationsgas-Diffusionsschicht des kombinierten Metalltrennglieds 1000 ist der Oxidationsgas-Flusskanal 914 ausgebildet. Ein leerer Raum ist im Inneren der Metalltrennglieds 1000 ausgebildet und dient als Kühlwasser-Flusskanal.
Wenn eine Brennstoffzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau betrieben wird, wird ähnlich wie in der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 1 die Teildruckverteilung des Dampfes in dem Oxidationsgas-Flusskanal gleichmäßig.
Indem das Metalltrennglied verwendet wird, kann eine Zirkulation des reaktiven Gases zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal effektiver verhindert werden, weil die Metallplatte keine Durchlässigkeit für das reaktive Gas aufweist. Folglich kann das reaktive Gas effizient zu der Luftelektroden-Katalysatorschicht zugeführt werden.
Weiterhin weist das Metalltrennglied auch bei einer Dicke von 1 mm oder weniger eine ausreichende mechanische Stärke auf. Daraus resultiert, dass die Größe und das Gewicht der Zelle und des Stapels reduziert werden können. Außerdem kann das Metalltrennglied einfach durch eine Pressverarbeitung oder ähnliches ausgebildet werden, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden können und eine Massenherstellung ermöglicht wird.
Beispielhafte Ausführungsform 3
In der beispielhaften Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in dem der Vorwärtsflusskanal und der Rückwärtsflusskanal eines Flusskanals jeweils entgegen gesetzte Richtungen aufweisen. In der beispielhaften Ausführungsform 3 wird ein Beispiel beschrieben, in dem zwei verschiedene Flusskanäle entgegen gesetzte Richtungen aufweisen.
Die Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 3 wird erhalten, indem das Luftelektroden-Trennglied 700 der Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 1 von 4 durch ein Luftelektroden-Trennglied 702 ersetzt wird. Dabei werden mit den vorausgehenden Ausführungsformen identische Komponenten neben dem Luftelektroden-Trennglied 720 durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird.
9 ist eine Vorderansicht der Fläche eines Luftelektroden-Trennglieds auf der Seite der Luftelektrode einer Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Identische Komponenten wie etwa das Luftelektroden-Trennglied 700 der beispielhaften Ausführungsform 1 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird.
In 9 umfasst das Luftelektroden-Trennglied 702 einen ersten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a, einen zweiten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710b, einen ersten Oxidationsgas-Abführverteiler 712a, einen zweiten Oxidationsgas-Abführverteiler 712b, einen ersten Oxidationsgas-Flusskanal 714a, einen zweiten Oxidationsgas-Flusskanal 714b, einen ersten Brennstoffgas-Zuführverteiler 730, einen zweiten Brennstoffgas-Zuführverteiler 730b, einen ersten Brennstoffgas-Abführverteiler 732a, einen zweiten Brennstoffgas-Abführverteiler 732b, einen Kühlwasser-Zuführverteiler 740 und einen Kühlwasser-Abführteiler 742.
Der erste Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a und der zweite Oxidationsgas-Zuführverteiler 710b sind Löcher, die verwendet werden, um ein Oxidationsgas zu jeder Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Der erste Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a führt das Oxidationsgas zu dem ersten Oxidationsgas-Flusskanal 714a zu. Entsprechend führt der zweite Oxidationsgas-Zuführverteiler 710b das Oxidationsgas zu dem zweiten Oxidationsgas-Flusskanal 714b zu.
Der erste Oxidationsgas-Abführverteiler 712a und der zweite Oxidationsgas-Abführverteiler 712b sind Löcher, die verwendet werden, um das Oxidationsgas aus jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels abzuführen. Der erste Oxidationsgas-Abführverteiler 712a führt das Oxidationsgas aus dem ersten Oxidationsgas-Flusskanal 714a ab. Entsprechend führt der zweite Oxidationsgas-Abführverteiler 712b das Oxidationsgas aus dem zweiten Oxidationsgas-Flusskanal 714b ab.
Der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a und der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b werden verwendet, um das von dem ersten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a oder dem zweiten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710b zugeführte Oxidationsgas zu der Fläche der Luftelektrode 400 zuzuführen. Der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a ist mit dem ersten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a und dem ersten Oxidationsgas-Abführverteiler 712a verbunden. Entsprechend ist der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b mit dem zweiten Oxidationsgas-Abführverteiler 712b verbunden. Der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a und der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b weisen entgegen gesetzte Richtungen über den gesamten Flusskanal auf und sind S-förmig, aber zueinander benachbart ausgebildet. Die Wand der Oxidationsgas-Flusskanäle (714a und 714b) ist derart ausgebildet, dass die Wand keine Durchlässigkeit für das Oxidationsgas aufweist. Der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal des ersten Oxidationsgas-Flusskanals 714a und dem nachgeordneten Flusskanal des zweiten Oxidationsflusskanals 714b oder der Abstand zwischen dem nachgeordneten Flusskanal des ersten Oxidationsgas-Flusskanals 714a und dem vorgeordneten Flusskanal des zweiten Oxidationsgas-Flusskanals 714b beträgt vorzugsweise 2,2 bis 3,3 mm.
Der erste Brennstoffgas-Zuführverteiler 730a und der zweite Brennstoffgas-Zuführverteiler 730b sind Löcher, die verwendet werden, um ein Brennstoffgas zu jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Der erste Brennstoffzellengas-Abführverteiler 732a und der zweite Brennstoffzellengas-Abführverteiler 732b sind Löcher, die verwendet werden, um das Brennstoffzellengas aus jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels abzuführen.
Wenn eine Brennstoffzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau betrieben wird, wird ähnlich wie bei der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 1 die Teildruckverteilung des Dampfes in den Oxidationsgas-Flusskanälen gleichmäßig vorgesehen. Der Dampf in dem nachgeordneten Flusskanal des ersten Oxidationsgas-Flusskanals 714a wird in einer Ebenenrichtung zu dem vorgeordneten Flusskanal des entgegen gesetzten zweiten Oxidationsgas-Flusskanal 714b transportiert. Entsprechend wird der Dampf in dem nachgeordneten Flusskanal des zweiten Oxidationsgas-Flusskanals 714b in einer Ebenenrichtung zu dem vorgeordneten Flusskanal in dem entgegen gesetzten ersten Oxidationsgas-Flusskanal 714a transportiert.
Wie oben genannt kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der beispielhaften Ausführungsform 1 die Teildruckverteilung des Dampfes in den Oxidationsgas-Flusskanälen die Teildruckverteilung des Dampfes in den Oxidationsgas-Flusskanälen gleichmäßig vorgesehen werden, weil die Oxidationsgas-Flusskanäle punktsymmetrisch ausgebildet werden können. Deshalb kann die gesamte Fläche der Brennstoffzelle effizienter verwendet werden, wobei eine noch höher Leistung und Stabilität der Energieerzeugung erzielt werden können.
Weiterhin kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der beispielhaften Ausführungsform 1 der Druck eines reaktiven Gases in dem Oxidationsgas-Zuführverteiler reduziert werden, weil die Länge des Oxidationsgas-Flusskanals kürzer vorgesehen werden kann. Deshalb kann die Last für ein Gebläse, das zum Zuführen des Oxidationsgases verwendet wird, vermindert werden, sodass die Effizienz der Energieerzeugung des gesamten Energieerzeugungssystems gesteigert werden kann.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform nur der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode erläutert wird, wobei der Aufbau des Flusskanal auf der Seite der Brennstoffelektrode identisch mit dem Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode ist. In diesem Fall kann die Teildruckverteilung des Dampfes in der Ebenenrichtung auch auf der Seite der Brennstoffelektrode gleichmäßig vorgesehen werden.
Beispielhafte Ausführungsform 4
In den beispielhaften Ausführungsformen 1 bis 3 werden Beispiele beschrieben, in denen die Querschnittfläche der Reaktionsgas-Flusskanäle in dem vorgeordneten Flusskanal und in dem nachgeordneten Flusskanal gleich sind. In der beispielhaften Ausführungsform 4 wird ein Beispiel beschrieben, in dem sich die Querschnittfläche des Reaktionsgas-Flusskanals zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal unterscheidet.
Eine Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 4 wird erhalten, indem das Luftelektroden-Trennglied 700 der Brennstoffzelle in der beispielhaften Ausführungsform 1 von 4 durch ein Luftelektroden-Trennglied 704 ersetzt wird. Identische Komponenten neben dem Luftelektroden-Trennglied 704 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird.
10 ist eine Vorderansicht der Fläche eines Luftelektroden-Trennglieds auf der Seite der Luftelektrode einer Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform 4. Identische Komponenten wie etwa das Luftelektroden-Trennglied 702 in der beispielhaften Ausführungsform 3 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
In 10 umfasst das Luftelektroden-Trennglied 704 einen ersten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a, einen zweiten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710b, einen ersten Oxidationsgas-Abführverteiler 712a, einen zweiten Oxidationsgas-Abführverteiler 712b, einen ersten Oxidationsgas-Flusskanal 714a, einen zweiten Oxidationsgas-Flusskanal 714b, einen ersten Brennstoffgas-Zuführverteiler 730a, einen zweiten Brennstoffgas-Zuführverteiler 730b, einen ersten Brennstoffgas-Abführverteiler 732a, einen zweiten Brennstoffgas-Abführverteiler 732b, einen Kühlwasser-Zuführverteiler 740 und einen Kühlwasser-Abführverteiler 742.
Der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a und der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b weisen entgegen gesetzte Richtungen über den gesamten Flusskanal ähnlich wie in der beispielhaften Ausführungsform 3 auf und sind S-förmig, aber zueinander benachbart ausgebildet. Außerdem sind der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a und der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b derart ausgebildet, dass die Breite des nachgeordneten Flusskanals schmäler als diejenige des vorgeordneten Flusskanals ist. Die Breite kann schrittweite oder kontinuierlich von dem vorgeordneten Flusskanal zu dem nachgeordneten Flusskanal vermindert werden. Weiterhin kann eine Wand des Oxidationsgas-Flusskanals (714a und 714b) derart ausgebildet sein, dass die Wand keine Durchlässigkeit für das Oxidationsgas aufweist.
Wenn eine Brennstoffzelle mit der oben beschriebenen Konfiguration betrieben wird, wird ähnlich wie bei der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 3 die Teildruckverteilung des Dampfes in den Oxidationsgas-Flusskanälen 714a und 714b gleichmäßig vorgesehen. Außerdem wird eine Verminderung des Gasteildrucks aufgrund des Verbrauchs des Oxidationsgases unterdrückt, weil die Querschnittfläche des nachgeordneten Flusskanals der Oxidationsgas-Flusskanäle 714a und 714b kleiner vorgesehen wird als diejenige des vorgeordneten Flusskanals. Auf diese Weise wird die Teildruckverteilung des Oxidationsgases in den Oxidationsgas-Flusskanälen 714a und 714b gleichmäßig vorgesehen, weil das Oxidationsgas nicht in einer Ebenenrichtung transportiert wird.
Wie oben genannt, kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der beispielhaften Ausführungsformen 1 bis 3 verhindert werden, dass das Oxidationsgas in dem vorgeordneten Flusskanal durch die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht zu dem nachgeordneten Flusskanal transportiert wird, weil der Teildruck des Oxidationsgases in dem vorgeordneten Flusskanal des Oxidationsgas-Flusskanals niedriger als der Teildruck des Oxidationsgases in dem nachgeordneten Flusskanal vorgesehen wird. Daraus resultiert, dass ein Reaktionsgas effizient zu der Luftelektrodenschicht zugeführt werden kann, sodass die Effizienz der Energieerzeugung gesteigert werden kann.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die Querschnittfläche des Reaktionsgas-Flusskanals geregelt wird, indem die Breite des Reaktionsgas-Flusskanals geändert wird, wobei die Querschnittfläche des Gasflusskanals jedoch auch geregelt werden kann, indem die Tiefe des Flusskanals geändert wird.
Weiterhin wird in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform nur der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode erläutert, wobei der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Brennstoffelektrode identisch mit dem Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode ist. In diesem Fall können die Wasserverteilung und die Teildruckverteilung des Brennstoffgases in einer Ebenenrichtung auch auf der Seite der Brennstoffelektrode gleichmäßig vorgesehen werden.
Beispielhafte Ausführungsform 5
In der beispielhaften Ausführungsform 1 bis 4 werden Beispiele beschrieben, in denen die Anzahl des Reaktionsgas-Flusskanäle, die mit einem Paar von Verteilern verbunden sind, in dem vorgeordneten Flusskanal und in dem nachgeordneten Flusskanal gleich sind. In der beispielhaften Ausführungsform 5 wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Anzahl von Reaktionsgas-Flusskanälen, die mit einem Paar von Verteilern verbunden sind, in dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal jeweils verschieden sind.
Eine Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 5 wird erhalten, indem das Luftelektroden-Trennglied 700 der Brennstoffzelle in der beispielhaften Ausführungsform 1 durch ein Luftelektroden-Trennglied 706 ersetzt wird. Identische Komponenten neben dem Luftelektroden-Trennglied 706 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
11 ist eine Vorderansicht der Fläche eines Luftelektroden-Trennglieds auf der Seite der Luftelektrode einer Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 5. Identische Komponenten wie das Luftelektroden-Trennglied 702 in der beispielhaften Ausführungsform 3 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
In 11 umfasst das Luftelektroden-Trennglied 706 einen ersten Oxidationsgas-Zuführverteiler 710a, einen zweiten Oxidationsgas-Zuführverteiler 701b, einen ersten Oxidationsgas-Abführverteiler 712a, einen zweiten Oxidations-Abführverteiler 712b, einen ersten Oxidationsgas-Flusskanal 714a, einen zweiten Oxidationsgas-Flusskanal 714b, einen ersten Brennstoffgas-Zuführverteiler 730a, einen zweiten Brennstoffgas-Zuführverteiler 730b, einen ersten Brennstoffgas-Abführverteiler 732a, einen zweiten Brennstoffgas-Abführverteiler 732b, einen Kühlwasser-Zuführverteiler 740 und einen Kühlwasser-Abführverteiler 742.
Der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a und der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b weisen entgegen gesetzte Richtungen über den gesamten Flusskanal ähnlich wie in der dritten Ausführungsform 3 auf und sind S-förmig, aber zueinander benachbart ausgebildet. Weiterhin sind der erste Oxidationsgas-Flusskanal 714a und der zweite Oxidationsgas-Flusskanal 714b derart ausgebildet, dass die Anzahl der nachgeordneten Flusskanäle kleiner als die Anzahl der vorgeordneten Flusskanäle ist. Weiterhin ist eine Wand der Oxidationsgas-Flusskanäle (714a und 714b) derart ausgebildet, dass die Wand keine Durchlässigkeit für das Oxidationsgas aufweist.
Wenn eine Brennstoffzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau betrieben wird, wird ähnlich wie bei der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 4 die Teildruckverteilung des Dampfes und des Oxidationsgases in den Oxidationsgas-Flusskanälen 714a und 714b gleichmäßig. Und weil die Breite und die Tiefe des Flusskanals über den gesamten Flusskanal hin konstant sind, wird der Kontaktwiderstand zwischen den Trenngliedern und der MEA gleichmäßiger über den gesamten Flusskanal als bei der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 4.
Wie oben genannt kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der beispielhaften Ausführungsformen 1 bis 4 der Teildruck des Oxidationsgases in dem vorgeordneten Flusskanal niedriger vorgesehen werden als der Teildruck des Oxidationsgases in dem nachgeordneten Flusskanal, während der Kontakt zwischen dem Luftelektroden-Trennglied und der MEA gleichmäßig vorgesehen wird. Daraus resultiert, dass eine Variation in der Verteilung der durch den Kontaktwiderstand erzeugten Wärme unterdrückt werden kann, wodurch die Verteilung der Energieerzeugungsreaktion vorgesehen und die Effizienz der Energieerzeugung gesteigert werden kann.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die Anzahl der Oxidationsgas-Flusskanäle an dem Wendeteil der Oxidationsgas-Flusskanäle vermindert ist, wobei jedoch die Anzahl der Oxidationsgas-Flusskanäle auch an dem geraden Teil der Oxidationsgas-Flusskanäle vermindert werden kann.
Weiterhin wird in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform nur der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode erläutert, wobei der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Brennstoffelektrode identisch mit dem Aufbau des Kanals auf der Seite der Luftelektrode ist. In diesem Fall können die Wasserverteilung und die Teildruckverteilung des Brennstoffgases in einer Ebenenrichtung auch auf der Seite der Brennstoffelektrode gleichmäßiger vorgesehen werden.
Beispielhafte Ausführungsform 6
In der beispielhaften Ausführungsform 6 wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Dampfdurchlässigkeit und die Durchlässigkeit für das Reaktionsgas (nachfolgend einfach als „Dampf-/Gasdurchlässigkeit” bezeichnet) einer Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht unter die Dampf-/Gasdurchlässigkeit einer Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht vermindert ist.
Eine Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 6 wird erhalten, indem die Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 unter die Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430 in der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 1 von 4 gesetzt wird. Es wird hier auf eine wiederholte Beschreibung von identischen Komponenten neben der Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 und der Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430 verzichtet.
Wie oben genannt, ist die Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 derart ausgebildet, dass die Dampf-/Gasdurchlässigkeit derselben niedriger als die Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430 wird. Um diesen Aufbau zu erhalten, kann die Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 oder die Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430 erhöht werden.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Vermindern der Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 sind keine besonderen Beschränkungen vorgegeben, wobei das Verfahren zum Beispiel das Reduzieren des Durchmessers von durch Kohlenstofffasern gebildeten Mikroporen, das Erhöhen der Dicke der Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440, das Anwenden einer Wasserabstoßungsbehandlung auf die Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 440 usw. umfassen kann. Andererseits kann das Verfahren zum Erhöhen der Dampf-/Gasdurchlässigkeit der Luftelektroden-Kohlenstoffschicht 430 das Vermindern der Dicke der Luftelektroden-Kohlenstoffschicht 430, das Anwenden einer hydrophilen Behandlung auf die Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430 usw. umfassen kann.
Wenn eine Brennstoffzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau betrieben wird, wird verhindert, dass der an der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 erzeugte Dampf zu dem Oxidationsgas-Flusskanal abgeführt wird und in einer Ebenenrichtung innerhalb der Kohlenstoffmantelschicht transportiert werden kann.
Wie oben genannt, kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der beispielhaften Ausführungsform 1 eine entsprechende Wassermenge in der Katalysatorschicht und in der Polymer-Elektrolytmembran gehalten werden, weil verhindert wird, dass das in der Elektroden-Katalysatorschicht erzeugte Wasser verdampft und zu dem Oxidationsgas-Flusskanal abgeführt wird.
Weiterhin kann der in der Kohlenstoffmantelschicht verbleibende Dampf einfach in einer Ebenenrichtung transportiert werden. Daraus resultiert, dass die Wasserverteilung in der Brennstoffzelle und die Verteilung der Energieerzeugungsreaktion gleichmäßiger vorgesehen werden kann, wodurch die Effizienz der Energieerzeugung erhöht wird. Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann eine entsprechende Wassermenge auch dann gleichmäßig in der Katalysatorschicht und in der Polymer-Elektrolytmembran halten, wenn die Brennstoffzelle unter einer hohen Temperatur und in einer nicht entfeuchteten Bedingung betrieben wird. Deshalb ist die Brennstoffzelle insbesondere für hohe Temperaturen und einen nicht entfeuchteten Betrieb geeignet.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wird, in dem die Dampfdurchlässigkeit und die Gasdurchlässigkeit geregelt werden, wobei jedoch auch nur die Dampfdurchlässigkeit geregelt werden kann.
Weiterhin wird in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein Beispiel erläutert, in dem die Seite der Luftelektrode geregelt wird, wobei aber auch die Seite der Brennstoffelektrode ähnlich geregelt werden kann. In diesem Fall kann auch auf der Seite der Brennstoffelektrode eine entsprechende Wassermenge in der Katalysatorschicht und in der Polymer-Elektrolytmembrangehalten werden und kann die Wasserverteilung in der Ebenenrichtung gleichmäßiger vorgesehen werden.
Beispielhafte Ausführungsform 7
In der beispielhaften Ausführungsform 6 wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Gasdiffusionsbasismaterialschicht aus einer einzelnen Schicht besteht. In der beispielhaften Ausführungsform 7 wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Gasdiffusionsbasismaterialschicht aus mehreren Schichten besteht, wobei die Dampfdurchlässigkeit und die Reaktionsgasdurchlässigkeit (Dampf-/Gasdurchlässigkeit) in der Richtung zu der äußeren Schicht vermindert sind.
12 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung. Identische Komponenten wie in der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 1 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
In 12 umfasst die Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolytmembran 200, ein Paar von Katalysatorelektroden (Brennstoffelektrode 300 und Luftelektrode 400) und ein Paar von Trenngliedern (ein Brennstoffelektroden-Trennglied 600 und ein Luftelektroden-Trennglied 700). Die Brennstoffelektrode 300 umfasst eine Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310, die auf der Seite der Polymer-Elektrolytmembran 200 angeordnet ist, und eine Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320, die auf der Seite des Brennstoffelektroden-Trennglieds 600 angeordnet ist. Entsprechend umfasst die Luftelektrode 400 eine Luftelektroden-Katalysatorschicht 410, die auf der Seite der Polymer-Elektrolytmembran 200 angeordnet ist, und eine Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420, die auf der Seite des Luftelektroden-Trennglieds 700 angeordnet ist. Weiterhin weist die Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320 einen Aufbau auf, in dem aufeinander folgend von der Seite der Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310 her eine Brennstoffelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 330, eine erste Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 342, eine zweite Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 344 und eine dritte Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 346 gestapelt sind. Entsprechend weist die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420 einen Aufbau auf, in dem aufeinander folgend von der Seite der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 eine Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430, eine erste Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 442, eine zweite Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 444 und eine dritte Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 446 gestapelt sind.
Die Brennstoffelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 330, die erste Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 342, die zweite Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 344 und die dritte Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 346 bilden die Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsschicht 320 und weisen jeweils eine andere Dampf-/Gasdurchlässigkeit auf. Die Brennstoffelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 330, die der Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 310 am nächsten ist, weist die größte Dampf-/Gasdurchlässigkeit auf. Die Dampf-/Gasdurchlässigkeit vermindert sich in der Richtung von der Elektrolytmembran zu dem Brennstoffelektroden-Trennglied 600. Das heißt, die dritte Brennstoffelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 346, die dem Brennstoffelektroden-Trennglied 600 am nächsten ist, weist die geringste Gas-/Dampfdurchlässigkeit auf.
Entsprechend bilden die Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430, die erste Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 442, die zweite Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 444 und die dritte Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 446 die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht 420 und weisen jeweils eine andere Dampf-/Gasdurchlässigkeit auf. Die Luftelektroden-Kohlenstoffmantelschicht 430, die der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 am nächsten ist, weist die größte Dampf-/Gasdurchlässigkeit auf. Die Dampf-/Gasdurchlässigkeit nimmt dann in der Richtung von der Elektrolytmembran zu dem Luftelektroden-Trennglied 700 hin ab. Das heißt, die dritte Luftelektroden-Gasdiffusionsbasismaterialschicht 446, die der Luftelektroden-Trennschicht 700 am nächsten ist, weist die niedrigste Dampf-Gasdurchlässigkeit auf.
Wenn eine Brennstoffzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau betrieben wird, wird verhindert, dass der in der Luftelektroden-Katalysatorschicht 410 erzeugte Dampf zu dem Reaktionsgas-Flusskanal abgeführt wird, wobei der Dampf in der Ebenenrichtung in der Kohlenstoffmantelschicht transportiert werden kann.
Wie oben genannt, kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der beispielhaften Ausführungsform 1 eine entsprechende Wassermenge in der Katalysatorschicht und in der Polymerelektrolytmembran gehalten werden, weil verhindert wird, dass das in der Luftelektroden-Katalysatorschicht erzeugte Wasser verdampft und zu dem Oxidationsgas-Flusskanal abgeführt wird. Weiterhin kann der in der Kohlenstoffmantelschicht verbleibende Dampf einfach in der Ebenenrichtung transportiert werden. Daraus resultiert, dass die Wassermenge der Brennstoffzelle und die Verteilung der Energieerzeugungsreaktion gleichmäßiger vorgesehen werden können, wodurch die Effizienz der Energieerzeugung gesteigert werden kann. Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann eine entsprechende Wassermenge auch dann gleichmäßig in der Katalysatorschicht und in der Polymer-Elektrolytmembran halten, wenn die Brennstoffzelle unter einer hohen Temperatur und einer nicht entfeuchteten Bedingung betrieben wird. Die Brennstoffzelle ist insbesondere für einen Betrieb unter hohen Temperaturen und in einer nicht entfeuchteten Bedingung geeignet.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wird, in dem die Dampfdurchlässigkeit und die Gasdurchlässigkeit geregelt werden, wobei jedoch auch nur die Dampfdurchlässigkeit geregelt werden kann.
Weiterhin wird in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein Aufbau erläutert, in dem mehrere Gasdiffusionsbasismaterialschichten gestapelt sind, wobei jedoch auch ein Gradient in der Dampfdurchlässigkeit und der Gasdurchlässigkeit in einer einzelnen Gasdiffusionsbasismaterialschicht vorgesehen sein kann.
Beispielhafte Ausführungsform 8
In den beispielhaften Ausführungsformen 1 bis 7 wird ein Beispiel beschrieben, in dem der Abstand zwischen dem Vorwärtsflusskanal und dem Rückwärtsflusskanal des entsprechenden Gasflusskanals konstant ist. In der beispielhaften Ausführungsform 8 wird ein Beispiel beschrieben, in dem der Abstand zwischen dem Vorwärtsflusskanal und dem Rückwärtsflusskanal der Reaktionsgas-Flusskanäle variiert.
Eine Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 8 wird erhalten, indem der Luftelektroden-Trennglied 700 der Brennstoffzelle in der beispielhaften Ausführungsform 1 durch ein Luftelektroden-Trennglied 902 ersetzt wird. Identische Komponenten neben dem Luftelektroden-Trennglied 902 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird.
13 ist eine Vorderansicht der Fläche eines Luftelektroden-Trennglieds auf der Seite der Luftelektrode einer Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung. Identische Komponenten wie das Luftelektroden-Trennglied 700 in der beispielhaften Ausführungsform 1 werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
In 13 umfasst das Luftelektroden-Trennglied 902 einen Oxidationsgas-Zuführverteiler 910, einen Oxidationsgas-Abführverteiler 912, einen Oxidationsgas-Flusskanal 914, einen Brennstoffgas-Zuführverteiler 930, einen Brennstoffgas-Abführverteiler 932, einen Kühlwasser-Zuführverteiler 740 und einen Kühlwasser-Abführverteiler 742.
Der Oxidationsgas-Flusskanal 914 führt das von dem Oxidationsgas-Zuführverteiler 910 zugeführte Oxidationsgas zu der gesamten Luftelektrode 400 zu und ist S-förmig ausgebildet. Der Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 918 und der Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 920 sind derart ausgebildet, das sie entgegen gesetzte Richtungen aufweisen. Der Abstand zwischen dem Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 918 und dem Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 920 ist in dem Teil A (in der Nähe des Oxidationsgas-Zuführverteilers 910 und des Oxidationsgas-Abführverteilers 912) groß vorgesehen und ist in dem Teil B (in der Nähe des Umkehrteils 916 der Vorwärts- und Rückwärtsflusskanäle) klein vorgesehen. Der Abstand kann schrittweise oder kontinuierlich in der Richtung von dem Teil A zu dem Teil B reduziert werden. Der Abstand an dem Teil A beträgt vorzugsweise zwischen 2,2 und 3,3 mm. Weiterhin ist die Wand des Oxidationsgas-Flusskanals 914 derart ausgebildet, dass die Wand keine Durchlässigkeit für das Oxidationsgas aufweist.
Wenn eine Brennstoffzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau betrieben wird, wird ähnlich wie bei der Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform 1 die Teildruckverteilung des Dampfes in dem Oxidationsgas-Flusskanal 914 gleichmäßig. Weil außerdem der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal groß ist im Vergleich zu dem Abstand zwischen dem Oxidationsgas-Vorwärtsflusskanal 918 und dem Oxidationsgas-Rückwärtsflusskanal 920 an dem Umkehrteil 916 des Vorwärts- und Rückwärtsflusskanal, wird verhindert, dass das Oxidationsgas in dem vorgeordneten Flusskanal durch die Luftelektroden-Gasdiffusionsschicht zu dem nachgeordneten Flusskanal transportiert wird.
Wie oben genannt, kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein reaktives Gas effizient zu der Luftelektroden-Katalysatorschicht zugeführt werden, sodass die Effizienz der Energieerzeugung weiter gesteigert werden kann.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform nur der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode erläutert wird, wobei der Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Brennstoffelektrode identisch mit dem Aufbau des Flusskanals auf der Seite der Luftelektrode sein kann. In diesem Fall kann die Teildruckverteilung des Wassers in einer Ebenenrichtung auch auf der Seite der Brennstoffelektrode gleichmäßiger vorgesehen werden.
Im Folgenden werden beispielhafte Experimente erläutert, wobei der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal geschätzt wird.
Beispielhaftes Experiment 1
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird ein Experiment erläutert, in dem eine Computersimulation verwendet wird, um einen optimalen Abstand zwischen den Flusskanälen zu schätzen.
Verwendetes Programm
Das in dem vorliegenden beispielhaften Experiment verwendete Programm ist ein elektrochemisches Submodell von „FLUENT” (Solidpolymer-Brennstoffzellenmodul (PEM-Modul)) von der FLUENT Inc. (siehe „http:/www.fluent.co.jp/contents/service/service/service#12.html”). Das Programm kann eine Zellenspannung voraussagen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei die Brennstoffzelle durch verschiedene spezifizierte Parameter gekennzeichnet ist.
Analysebedingungen
Es wurde eine Simulation durchgeführt, wobei die Parameter jeweils wie folgt spezifiziert waren:
Membranendicke: 30 μm
Katalysatordicke: 10 μm
Gasdiffusionsschichtdicke: 300 μm
Kathodenflusskanaltiefe: 1,1 mm
Kathodenflusskanalbreite: 1,1 mm
Anodenflusskanaltiefe: 1 mm
Anodenflusskanalbreite: 1,1 mm
Zellentemperatur: 90°C
Anodentaupunkt: 65°C
Kathodentaupunkt: 34°C
Elektrodenoberfläche: 6,1468 cm²
Prozentsatz der Wasserstoffnutzung: 10%
Prozentsatz der Sauerstoffnutzung: 50 bis 90%
Porosität der Gasdiffusionsschicht: 0,75
Stromdichte: 0,16/cm²

Die Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen der Zellenspannung (mV) einerseits und dem Abstand zwischen den Flusskanälen (nachfolgend als „Rippenbreite” bezeichnet) und dem Prozentsatz der Sauerstoffnutzung unter den oben genannten Bedingungen andererseits. Tabelle 1

Rippenbreite (mm)	Prozentsatz der Sauerstoffnutzung (%)
Rippenbreite (mm)	50	60	70	80	90
1,1	723,1	720,5	706,7	663	420,5
2,2	719,9	720,7	718,4	708	636,2
3,3	719,6	720,8	720,1	716,6	691,5
4,4	719,5	720,1	719	715,2	698,4

Die Tabelle 2 zeigt die Beziehung zwischen der Rippenbreite einerseits und dem Kontaktwiderstand und dem Ohmschen Verlust (Spannungsverlust) andererseits. Die Tabelle 2 zeigt, dass der Kontaktwiderstand und der Ohmsche Verlust größer werden, wenn die Rippenbreite größer ist. Der Grund hierfür ist folgender: wenn die Rippenbreite größer wird, wird die Kontaktfläche zwischen dem Trennglied und der Gasdiffusionsschicht größer. Wenn die Kontaktfläche zwischen dem Trennglied und der Gasdiffusionsschicht größer wird, während dieselbe Größe einer Befestigungskraft auf die Zellen ausgeübt wird, vermindert sich die Last pro Einheitsfläche.
Indem die Last pro Einheitsfläche vermindert wird, wird der Kontaktwiderstand exponentiell erhöht. Wenn also die Rippenbreite größer wird, wird der Kontaktwiderstand größer, sodass der Ohmsche Verlust groß wird. Tabelle 2

Rippenbreite 1,1 2,2 3,3 4,4 5,5

Kontaktwiderstand (mQ) 0,00169 0,004917 0,00922 0,014138 0,019977

Ohmscher Verlust (mV) 0,415615 2,418122 6,800967 13,9042 24,55905

Die Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse, die durch das Subtrahieren der Ohmschen Verluste der Tabelle 2 von den Verlusten der Tabelle 1 erhalten werden. Die in Tabelle 3 gezeigten Werte sind näher an den tatsächlichen Werten als die Ergebnisse von Tabelle 1, weil die erwarteten Ohmschen Verluste berücksichtigt werden. Tabelle 3

Rippenbreite (mm)	Prozentsatz der Sauerstoffnutzung
Rippenbreite (mm)	50	60	70	80	90
1,1	722,6844	720,0844	706,2844	662,5844	420,0844
2,2	717,4819	718,2819	715,9819	705,5819	633,7819
3,3	717,799	713,999	713,299	709,799	684,699
4,4	705,5958	706,1958	705,0958	701,2958	684,4958

14 zeigt ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Rippenbreite und der Zellenspannung bei einer Sauerstoffnutzung von 80% in der Tabelle 3 zeigt.
In dem Kurvendiagramm von 14 gibt die vertikale Achse die Zellenspannung wieder und gibt die Abszisse die Rippenbreite wieder. In einem Rippenbreitenbereich zwischen 1,1 und 3,3 mm nimmt die Zellenspannung zu, wenn die Rippenbreite zunimmt. Die Zellenspannung weist bei einer Rippenbreite von 3,3 mm einen Spitzenwert auf. Die Zellenspannung ist bei einer Rippenbreite von 4,4 mm klein im Vergleich zu der Zellenspannung bei den Rippenbreiten von 3,3 mm und 2,2 mm.
Aus den oben angegebenen Ergebnissen wird deutlich, dass unter den oben benannten Analysebedingungen die optimale Rippenbreite für eine hohe Zellenspannung zwischen 2,2 und 3,3 mm liegt.
Beispielhaftes Experiment 2
In dem vorliegenden beispielhaften Experiment wird ein Experiment erläutert, in dem der optimale Abstand zwischen den Flusskanälen unter Verwendung desselben Programms wie in dem beispielhaften Experiment 1 geschätzt wurde. In dem vorliegenden beispielhaften Experiment wurde der Parameter der Gasdiffusionsschichtdicke im Gegensatz zu dem beispielhaften Experiment 1 mit 200 μm gewählt. Die Analysebedingungen waren mit Ausnahme der Gasdiffusionsschichtdicke ansonsten gleich mit denjenigen des beispielhaften Experiments 1.

Die Tabelle 4 zeigt die Beziehung zwischen der Zellenspannung (mV) einerseits und der Rippenbreite und dem Prozentsatz der Sauerstoffnutzung unter den oben genannten Bedingungen andererseits. Tabelle 4

Rippenbreite (mm)	Prozentsatz der Sauerstoffnutzung (%)
Rippenbreite (mm)	50	60	70	80	90
1,1	724,2	722,5	708,9	669,3	426
2,2	718,6	720,1	720	716	682,1
3,3	718,6	719,6	719	715,9	703,5
4,4	717,1	716,3	713,2	705,8	681,7

Die Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse, die durch das Subtrahieren der Ohmschen Verluste der Tabelle 2 von den Ergebnissen der Tabelle 4 erhalten werden. Die Ergebnisse von Tabelle 5 sind näher an den tatsächlichen Werten als die Ergebnisse von Tabelle 4, weil die erwarteten Ohmschen Verluste berücksichtigt werden. Tabelle 5

Rippenbreite (mm)	Prozentsatz der Sauerstoffnutzung
Rippenbreite (mm)	50	60	70	80	90
1,1	723,7844	722,0844	708,4844	668,8844	425,5844
2,2	716,1819	717,6819	717,5819	713,5819	679,6819
3,3	711,799	712,799	712,199	709,099	696,699
4,4	703,1958	702,3958	699,2958	691,8958	667,7958

15 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Rippenbreite und der Zellenspannung bei einer Sauerstoffnutzung von 80 Prozent der Tabelle 5 zeigt.
In dem Kurvendiagramm von 15 gibt die vertikale Achse die Zellenspannung wieder und gibt die Abszisse die Rippenbreite wieder. In einem Rippenbreitenbereich zwischen 1,1 und 2,2 mm erhöht sich die Zellenspannung, wenn sich die Rippenbreite vergrößert. Die Zellenspannung weist bei einer Rippenbreite von 2,2 mm einen Spitzenwert auf. In einem Rippenbreitenbereich zwischen 2,2 mm und 4,4 mm vermindert sich die Zellenspannung, wenn sich die Rippenbreite vergrößert. Die Zellenspannung bei einer Rippenbreite von 4,4 mm ist im Vergleich zu der Zellenspannung bei Rippenbreiten von 2,2 und 3,3 mm extrem klein.
Aus den oben angegebenen Ergebnissen wird deutlich, dass unter den oben angegebenen Bedingungen die optimale Rippenbreite zum Aufrechterhalten einer hohen Zellenspannung zwischen 2,2 und 3,3 mm liegt.
Aus den Ergebnissen der beispielhaften Experimente 1 und 2 wird deutlich, dass bei einer Gasdiffusionsschichtdicke zwischen 200 und 300 μm, einer Flusskanalbreite von 1,1 mm und einer Flusskanaltiefe von 1,1 mm eine Brennstoffzelle eine elektrische Energie mit der höchsten Effizienz erzeugen kann, wenn die Rippenbreite zwischen 2,2 und 3,3 mm beträgt, d. h. das Zwei- bis Dreifache der Flusskanalbreite.
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2006-171995 vom 21. Juni 2006 und beansprucht Priorität aus derselben. Der gesamte Inhalt dieser japanischen Patentanmeldung ist hier einbezogen.
Industrielle Anwendbarkeit
Eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft für Solidpolymer-Brennstoffzellen und ähnliches verwendet werden, die unter einer hohen Temperatur und in einer wenig befeuchteten Bedingung oder unter einer hohen Temperatur und in einer nicht befeuchteten Bedingung betrieben werden.

Claims

Brennstoffzelle mit interner Befeuchtung, die eine Polymer-Elektrolytmembran (200), eine Membranenelektrodenanordnung (500) mit einem Paar von Katalysatorelektroden (300, 400), zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran (200) angeordnet ist, und ein Trennglied (600; 700) mit einem Gasflusskanal (614; 714) zum Zuführen eines Brennstoffgases oder eines Oxidationsgases zu der Membranenelektrodenanordnung (500) umfasst, wobei der Gasflusskanal (614; 714) ein Vorwärts- (618; 718) und Rückwärtskanal (620; 720) ist und S-förmig oder spiralförmig ausgebildet ist, ein vorgeordneter Flusskanal des Gasflusskanals (614; 714) einem nachgeordneten Flusskanal des Gasflusskanals benachbart ist, wobei das Gas, das durch den den vorgeordneten Flusskanal enthaltenden Vorwärtsflusskanal (618; 718) fließt, in entgegengesetzter Richtung zu dem Gas fließt, das durch den den nachgeordneten Flusskanal enthaltenden Rückwärtsflusskanal (620; 720) fließt, und eine Wand des Gasflusskanals (614; 714) keine Durchlässigkeit für das Brennstoffgas oder Oxidationsgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem nachgeordneten Flusskanal des Gasflusskanals (614; 714) zwischen 2,2 mm und 3,3 mm beträgt und zwei bis dreimal so breit wie der Gasflusskanal (614; 714) ist.
Brennstoffzelle mit interner Befeuchtung, die eine Polymer-Elektrolytmembran (200), eine Membranenelektrodenanordnung (500) mit einem Paar von Katalysatorelektroden (300, 400), zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran (200) angeordnet ist, und ein Trennglied (702) mit einer Vielzahl von Gasflusskanälen (714a, 714b) zum Zuführen eines Brennstoffgases oder Oxidationsgases zu der Membranenelektrodenanordnung (500) umfasst, wobei der Gasflusskanal (714a, 714b) S-förmig oder spiralförmig ausgebildet ist, ein vorgeordneter Flusskanal eines ersten Gasflusskanals (714a) zu einem nachgeordneten Flusskanal eines zweiten Gasflusskanals (714b) benachbart ist, ein vorgeordneter Flusskanal des zweiten Gasflusskanals (714b) einem nachgeordneten Flusskanal des ersten Gasflusskanals (714a) benachbart ist, und eine Wand des Gasflusskanals (714a, 714b) keine Durchlässigkeit für das Brennstoffgas oder Oxidationsgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem vorgeordneten Flusskanal des ersten Gasflusskanals (714a) und dem nachgeordneten Flusskanal des zweiten Gasflusskanals (714b) oder der Abstand zwischen dem nachgeordneten Flusskanal des ersten Gasflusskanals (714a) und dem vorgeordneten Flusskanal des zweiten Gasflusskanals (714b) zwischen 2,2 mm und 3,3 mm beträgt und zwei bis dreimal so breit wie der Gasflusskanal ist.
Brennstoffzelle mit interner Befeuchtung, die eine Polymer-Elektrolytmembran (200), eine Membranenelektrodenanordnung (500) mit einem Paar von Katalysatorelektroden (300, 400), zwischen denen die Polymer-Elektrolytmembran (200) angeordnet ist, ein Trennglied (902) mit einem Gasflusskanal (914) zum Zuführen eines Brennstoffgases oder eines Oxidationsgases zu der Membranenelektrodenanordnung (500), einen Zuführverteiler (910) durch den das Brennstoffgas oder das Oxidationsgas dem Gasflusskanal (914) zugeführt wird, und einen Abführverteiler (912) durch den das Brennstoffgas oder das Oxidationsgas aus dem Gasflusskanal (914) abgeführt wird umfasst, wobei der Gasflusskanal (914) ein Vorwärts- (918) und Rückwärtskanal (920) ist und S-förmig oder spiralförmig ausgebildet ist, ein vorgeordneter Flusskanal des Gasflusskanals (914) einem nachgeordneten Flusskanal des Gasflusskanals (914) benachbart ist, wobei das Gas, das durch den den vorgeordneten Flusskanal enthaltenden Vorwärtsflusskanal (918) fließt, in entgegengesetzter Richtung zu dem Gas fließt, das durch den den nachgeordneten Flusskanal enthaltenden Rückwärtsflusskanal (920) fließt, eine Wand des Gasflusskanals (914) keine Durchlässigkeit für das Brennstoffgas oder Oxidationsgas aufweist, der vorgeordnete Flusskanal in der Nähe des Zuführverteilers (910) angeordnet ist, der nachgeordnete Flusskanal in der Nähe des Abführverteilers (912) angeordnet ist, und ein Umkehrteil (916) des Gasflusskanals (914) in der Mitte des Gasflusskanals angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem benachbarten nachgeordneten Flusskanal, die in einander entgegengesetzten Richtungen in dem Gasflusskanal (914) laufen, größer ist als der Abstand (B) zwischen dem Vorwärtsflusskanal (918) und dem Rückwärtsflusskanal (920) an dem Umkehrteil (916) des Gasflusskanals (914), und der Abstand (A) zwischen dem vorgeordneten Flusskanal und dem benachbarten nachgeordneten Flusskanal zwischen 2,2 mm und 3,3 mm beträgt und zwei bis dreimal so breit wie der Gasflusskanal (914) ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Katalysatorelektroden (300, 400) eine Katalysatorschicht (310, 410), die derart angeordnet ist, dass die Katalysatorschicht (310, 410) in Kontakt mit der Polymer-Elektrolytmembran (200) ist, eine Kohlenstoffmantelschicht (330, 430), die auf der Außenseite der Katalysatorschicht (310, 410) angeordnet ist, und eine Gasdiffusionsbasismaterialschicht (340, 440), die auf der Außenseite der Kohlenstoffmantelschicht (330, 430) angeordnet ist, umfasst, und die Dampfdurchlässigkeit der Gasdiffusionsbasismaterialschicht (340, 440) geringer ist als die Dampfdurchlässigkeit der Kohlenstoffmantelschicht (330, 430).
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die Gasdiffusionsbasismaterialschicht eine Vielzahl von Schichten (342, 344, 346) mit jeweils unterschiedlichen Dampfdurchlässigkeiten umfasst, wobei eine Schicht mit einer geringeren Dampfdurchlässigkeit näher an dem Trennglied (600) angeordnet ist als eine Schicht mit einer höheren Dampfdurchlässigkeit in der Gasdiffusionsbasismaterialschicht.