DE112007002417T5

DE112007002417T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007002417T5
Application number: DE112007002417T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Toyota-shi Ogawa; Kimihide Toyota-shi Horio; Masaru Nishio-shi Tsunokawa; Ikuyasu Nishio-shi Kato
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-07-30
Also published as: CA2651415A1; CN101523648A; WO2008056518A1; US20090130520A1; JPWO2008056518A1

Abstract

Brennstoffzelle, aufweisend:
eine Membran/Elektroden-Anordnung;
eine Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran/Elektroden-Anordnung gestapelt ist; und
einen oder mehrere Gasströmungskanäle, die angrenzend an die Gasdiffusionsschicht ausgebildet sind; und
einen Gaszufuhrkanal, durch den Gas, das den Gasströmungskanälen zugeführt wird, strömt, wobei die Gasströmungskanäle an ihren stromaufwärtigen Seiten mit dem Gaszufuhrkanal in Verbindung stehen und an ihren stromabwärtigen Seiten im Wesentlichen geschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärtiger Teil eines Gasströmungskanals von den Gasströmungskanälen neben einem stromaufwärtigen Teil dieses Gasströmungskanals oder einem stromaufwärtigen Teil eines anderen Gasströmungskanals von den Gasströmungskanälen liegt.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
Wie in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2005-116205 offenbart, ist eine Brennstoffzelle bekannt, die eine Vielzahl von Anodengas-Zufuhröffnungen für die Zufuhr eines Reaktionsgases aufweist und die das Reaktionsgas in der Kathode einschließt und die Anodengas-Zufuhröffnungen nach Bedarf öffnet und schließt. Die Brennstoffzelle erzeugt elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff in einem wasserstoffreichen Reaktionsgas, das der Anode zugeführt wird. Gemäß dem oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren wird das Reaktionsgas während der Erzeugung elektrischer Leistung in der Anode eingeschlossen und daher kann das Reaktionsgas effizient genutzt werden.
Für eine effiziente Erzeugung elektrischer Leistung ist es bevorzugt, dass die Gasverteilung in der Brennstoffzelle im Wesentlichen gleichmäßig ist und dass Wasserstoff auf ausgewogene Weise in der Anode verteilt ist. Wenn das Reaktionsgas durch eine feststehende Anodengas-Zufuhröffnung zugeführt wird, ist jedoch auch die Richtung des Reaktionsgases festgelegt. Infolgedessen kann während des Strömens eines Reaktionsgases Gas, das für die Reaktion, mit der elektrische Leistung erzeugt wird, nicht notwendig ist (nicht an der Reaktion beteiligtes Gas), wie Stickstoff und Wasserdampf, stromabwärts mitgenommen werden, und die Konzentration an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas kann an einer stromabwärtigen Stelle lokal ansteigen.
In einem solchen Fall wird die Gasverteilung in der Brennstoffzelle ungünstigerweise ungleichmäßig. Somit wird für die oben beschriebene herkömmliche Brennstoff zelle der offen/zu-Zustand der Anodengas-Zufuhröffnungen einzeln gesteuert, um die Stelle, wo das Reaktionsgas zugeführt wird, auf geeignete Weise zu ändern, wodurch die Gasverteilung in der Brennstoffzelle gleichmäßiger wird.

Patentdokument 1: japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2005-116205
Patentdokument 2: japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-126746

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung
Wie oben beschrieben, besteht ein Bedarf an einer Technik, mit der die Ungleichmäßigkeit der Konzentration eines Gases in einer Brennstoffzelle gesenkt werden kann und die Konzentration des Gases in der Brennstoffzelle vergleichmäßigt werden kann. Durch gründliche Forschung an diesem Problem hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine neuartige Technik entwickelt, mit der eine lokale Ansammlung eines nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat die Lösung des oben beschriebenen Problems zum Ziel, und Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennstoffzelle, die eine lokale Ansammlung eines nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle verhindern kann.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Um das genannte Ziel zu erreichen, ist der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, die aufweist:
eine Membran/Elektroden-Anordnung;
eine Gasdiffusionsschicht, die auf der Membran/Elektroden-Anordnung angeordnet ist;
einen oder mehrere Gasströmungskanäle, die angrenzend an die Gasdiffusionsschicht ausgebildet sind; und
einen Gaszufuhrkanal, durch den Gas strömt, das den Gasströmungskanälen zugeführt wird, wobei die Gasströmungskanäle an ihren stromaufwärts gelegenen Enden mit den Gaszufuhrkanälen in Verbindung stehen und an ihren stromabwärts gelegenen Enden im Wesentlichen geschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärtiger Abschnitt eines Gasströmungskanals dieser Gasströmungskanäle neben einem stromaufwärtigen Abschnitt dieses Gasströmungskanals oder einem stromaufwärtigen Abschnitt eines anderen Gasströmungskanals dieser Gasströmungskanäle liegt.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das stromabwärtige Ende eines Gasströmungskanals der Gasströmungskanäle neben dem stromaufwärtigen Ende dieses Gasströmungskanals oder dem stromaufwärtigen Ende eines anderen Gasströmungskanals dieser Gasströmungskanäle liegt.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gaszufuhrkanal einen ersten Gaszufuhrkanal und einen zweiten Gaszufuhrkanal aufweist, die in Richtung der Ebene der Membran/Elektroden-Anordnung mit der Gasdiffusionsschicht zwischen sich angeordnet sind,
wobei die Gasströmungskanäle einen ersten Gasströmungskanal, der an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem ersten Gaszufuhrkanal in Verbindung steht und an seinem stromabwärtigen Ende im Wesentlichen geschlossen ist, und einen zweiten Gasströmungskanal, der an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem Gaszufuhrkanal in Ver bindung steht und an seinem stromabwärtigen Ende im Wesentlichen geschlossen ist, einschließen, und
ein stromaufwärtiger Abschnitt des ersten Gasströmungskanals und ein stromabwärtiger Abschnitt des zweiten Gasströmungskanals nebeneinander liegen, und ein stromabwärtiger Abschnitt des ersten Gasströmungskanals und ein stromaufwärtiger Abschnitt des zweiten Gasströmungskanals nebeneinander liegen.
Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste Gasströmungskanal und der zweite Gasströmungskanal abwechselnd angeordnet sind.
Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gasströmungskanal einen Umkehrabschnitt zwischen dem stromaufwärtigen Abschnitt und dem stromabwärtigen Abschnitt aufweist und, dass
der stromabwärtige Abschnitt des Gasströmungskanals neben dem stromaufwärtigen Abschnitt des Gasströmungskanals liegt.
Der sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß einem der ersten bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gasströmungskanal an seiner stromabwärtigen Seite vollständig geschlossen ist.
Der siebte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle gemäß einem der ersten bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennstoffzelle ferner aufweist:
einen Gasabfuhrkanal, der mit dem stromabwärtigen Ende verbunden ist; und
ein Spülventil, das im Gasabfuhrkanal angeordnet ist und das geöffnet und geschlossen werden kann, um den Verbindungszustand des Gasabfuhrkanals umzuschalten.
Der achte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle nach einem der ersten bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennstoffzelle ferner aufweist:
einen Gasabfuhrkanal, der mit dem stromabwärtigen Ende verbunden ist; und
eine Drosselklappe, die in dem Gasabfuhrkanal angeordnet ist.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt ein stromabwärtiger Abschnitt eines Gaszufuhrkanals, in dem die Konzentration eines Gases, das nicht an der elektrische Leistung erzeugenden Reaktion beteiligt ist (im Folgenden als nicht an der Reaktion beteiligtes Gas bezeichnet), wie Stickstoff und Wasserdampf, höher ist, neben einem stromaufwärtigen Abschnitt eines Gasströmungskanals, in dem die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases niedriger ist, und daher kann die Gasdiffusion, mit der das Konzentrationsgefälle des Gases in der Gasdiffusionsschicht verringert wird, gefördert werden. Infolgedessen kann eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle verhindert werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt ein stromabwärtiges Ende des Gasströmungskanals neben einem stromaufwärtigen Ende des Gasströmungskanals, und daher kann eine Gasdiffusion, mit der das Konzentrationsgefälle des Gases verringert wird, weiter gefördert werden.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung können erste Gasströmungskanäle und zweite Gasströmungskanäle abwechselnd angeordnet werden, und da her wird auf einfache Weise die Zahl der nebeneinander liegenden stromaufwärtigen Abschnitte und stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle erhöht.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind stromaufwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle und stromabwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle abwechselnd angeordnet, und daher kann eine gleichmäßigere Konzentrationsverteilung des Gases, das nicht an der elektrische Leistung erzeugenden Reaktion beteiligt ist, wirksamer gefördert werden.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der stromabwärtige Abschnitt des Gasströmungskanals neben dem stromaufwärtigen Abschnitt des Gasströmungskanals liegen, und daher kann die Zahl der Gasverteilungskanäle verringert werden.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in einem einfachen Aufbau, der keinen speziellen Mechanismus für die Abfuhr von Gas aus den Gasströmungskanälen aufweist, eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle verhindert werden.
Gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Gasströmungskanäle nach Bedarf geleert bzw. gespült werden. Außerdem kann die lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle verhindert werden, und daher kann die Spülfrequenz verringert werden.
Gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in einer Brennstoffzelle, die eine verringerte Gasmenge in den Gasabfuhrkanal abgibt, eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle verhindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist ein Schema, das eine Wirkung einer Ansammlung von nicht an der Reaktion beteiligtem Gas auf die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle darstellt.
4 ist ein Schema, das Messungen der Variationen von Wasserstoff- und Stickstoff-Partialdrücken in dem Abschnitt der Anode, in dem sich das nicht an der Reaktion beteiligte Gas angesammelt hat, darstellt.
5 ist ein Schema, das eine Wirkung einer Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases auf die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle darstellt.
6 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle, die zum Vergleich mit der ersten Ausführungsform hergestellt wurde.
7 zeigt Messergebnisse einer Brennstoffzelle mit dem gleichen Aufbau wie die Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform und einer Brennstoffzelle, die für einen Vergleich mit der ersten Ausführungsform hergestellt wurde.
8 zeigt Messergebnisse der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform und einer Brennstoffzelle, die zum Vergleich mit der ersten Ausführungsform hergestellt wurde.
9 ist ein Schema, das einen Aufbau eines modifizierten Beispiels der ersten Ausführungsform darstellt.
10 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
13 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
BESTE WEISE DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Erste Ausführungsform
[Aufbau gemäß der ersten Ausführungsform]
1 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Brennstoffzelle 10 weist in ihrer Mitte eine Membran/Elektroden-Anordnung auf, die einen Stapel aus einer Elektrolytmembran und Elektrodenkatalysatorschichten auf den einander entgegengesetzten Oberflächen der Elektrolytmembran aufweist. Außerdem sind Gasdiffusionsschichten auf die gegenüber liegende Oberfläche der Membran/Elektroden-Anordnung gestapelt, und Separatoren sind auf die jeweiligen Gasdiffusionsschichten gestapelt. Der Abschnitt auf der einen Seite der Membran/Elektroden-Anordnung dient als Anode, und der Abschnitt auf der andere Seite der Membran/Elektroden-Anordnung dient als Kathode. 1 zeigt die Brennstoffzelle 10, gesehen von der Anodenseite aus, und es ist ein Separator 12 der Anode dargestellt.
1 zeigt einen Querschnitt des Separators 12, gesehen parallel zur Ebene des Separators 12. Daher sind in 1 Gasverteilungskanäle 14 und 16 und Gasströmungskanäle 20 und 22, die im Separator 12 ausgebildet sind, zu sehen. Die Gasverteilungskanäle 14 und 16 sind entlang der einander gegenüber liegenden kurzen Seiten des Separators 12 ausgebildet. Die Gasverteilungskanäle 14 und 16 stehen mit einem Kraftstofftank in Verbindung, der Wasserstoff vorhält (nicht dargestellt).
Im Separator 12 sind eine Vielzahl von Gasströmungskanälen 20 und 22 parallel zueinander ausgebildet. Die Gasströmungskanäle 20 und 22 sind im Wesentlichen gleichmäßig abwechselnd in der Ebene des Separators 12 ausgebildet. Die Gasströmungskanäle 20 gehen vom Gasverteilungskanal 14 aus und verlaufen über einen Teil der Länge des Separators 12 und sind an ihren vorderen Enden jeweils vollständig geschlossen. Ebenso gehen die Gasströmungskanäle 22 vom Gasverteilungskanal 16 aus und verlaufen über einen Teil der Länge des Separators 12 und sind an ihren vorderen Enden jeweils vollständig geschlossen.
Die Gasströmungskanäle 20 und 22 gehen von den beiden einander gegenüber liegenden Gasverteilungskanälen 14 und 16 aus und verlaufen in einander entgegengesetzten Richtungen, um eine verschränkte bzw. Doppelkammstruktur zu bilden. Die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 liegen neben den stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 22, und die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 liegen neben den stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 22.
Da die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22 geschlossen sind, wird Wasserstoff, der dem Gasverteilungskanal 14 zugeführt wird, auf die einzelnen Gasströmungskanäle 20 verteilt und sammelt sich dann in den Gasströmungskanälen 20 an. Ebenso sammelt sich Wasserstoff, der den Gasströmungskanälen 22 durch den Gasverteilungskanal 16 zugeführt wird, in den Gasströmungskanälen 22 an.
2 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsdarstellung der Brennstoffzelle 10 entlang der Linie A-A von 1. 2 zeigt eine Stapelstruktur auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 10. Genauer zeigt 2 eine Elektrolytmembran 30 und eine Elektrodenkatalysatorschicht 32, eine Gasdiffusionsschicht 34 und den Separator 12, bei denen es sich um Bestandteile der Anode handelt, in der Brennstoffzelle 10.
Wie in 2 dargestellt, grenzen die Gasströmungskanäle 20 und 22 im Separator 12 an die Gasdiffusionsschicht 34 an. Daher diffundiert in der Brennstoffzelle 10 Gas, das durch die Gasströmungskanäle 20 und 22 strömt, in die Gasdiffusionsschicht 34 und schließlich in die Elektrodenkatalysatorschicht 32.
Obwohl nicht dargestellt, weist die Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform auch einen Kathodenaufbau auf. Wie die Anode weist die Kathode eine Elektrodenkatalysatorschicht, eine Gasdiffusionsschicht und einen Separator auf. Die Gasströmungskanäle, die im Separator der Kathode ausgebildet sind, sollen Luft verteilen, und die Kathode ist so aufgebaut, dass sie Luft von den Gasströmungskanälen durch die Gasdiffusionsschicht zur Elektrodenkatalysatorschicht liefert. Es können be kannte Kathodenstrukturen verwendet werden, und daher wird auf eine ausführliche Beschreibung des Kathodenaufbaus verzichtet.
[Wirkung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases auf die Erzeugung elektrischer Leistung]
Die Brennstoffzelle erzeugt elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff in der Anode und Luftsauerstoff in der Kathode durch die Elektrolytmembran hindurch. Der Brennstoffzelle, die elektrische Leistung mit in der Anode eingeschlossenem Wasserstoff erzeugt, wird gemäß dem Wasserstoffverbrauch bei der Erzeugung elektrischer Leistung kontinuierlich Wasserstoff zugeführt. Während elektrische Leistung erzeugt wird, strömt daher Wasserstoff kontinuierlich durch eine Wasserstoff-Zufuhröffnung in die Anode.
Die Elektrolytmembran ist gasdurchlässig. Während der Erzeugung elektrischer Leistung wird daher Luftsauerstoff in der Kathode für die Erzeugung elektrischer Leistung verbraucht, aber Gas, das nicht an der Erzeugung elektrischer Leistung beteiligt ist (nachstehend als nicht an der Reaktion beteiligtes Gas bezeichnet), wie Stickstoff und Wasserdampf, wandert durch die Elektrolytmembran von der Kathode zur Anode.
Das nicht an der Reaktion beteiligte Gas wird durch den Wasserstoffstrom in die Anode zur stromabwärtigen Seite der Anode mitgenommen. Wenn das Gas in der Anode in einer festgelegten Richtung strömt, kann die lokale Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases an einer stromabwärtigen Stelle ansteigen (das nicht an der Reaktion beteiligte Gas kann sich an der stromabwärtigen Stelle konzentrieren). In einem solchen Fall werden Wasserstoff und das nicht an der Reaktion beteiligte Gas ungleichmäßig in der Brennstoffzelle verteilt. Nun wird die Wirkung solch einer ungleichmäßigen Gasverteilung auf die Erzeugung elektrischer Leistung mit Bezug auf 3 bis 5 beschrieben.
3 ist ein Schema zur Darstellung einer Wirkung einer Ansammlung von Gas, das nicht an der Erzeugung elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle beteiligt ist, wie sie oben beschrieben ist. 3 zeigt ein Ergebnis der Messung der Stromdichteverteilung in einem rechteckigen Brennstoffzellen-Probestück während der Erzeugung elektrischer Leistung. In der Zeichnung stellt die Farbabstufung die Stromdichte dar. Dunklere Farben stellen höhere Stromdichten dar und hellere Farben stellen niedrigere Stromdichten dar.
Das Brennstoffzellen-Probestück erzeugt elektrische Leistung unter Verwendung von Wasserstoff, welcher der Anode am in der Zeichnungsansicht oberen rechten Ende kontinuierlich zugeführt wird und der in der Anode eingeschlossen wird. Daher entspricht in der Ansicht von 3 das obere rechte Ende dem stromaufwärtigen Abschnitt des Gasstroms im Brennstoffzellen-Probestück, und Wasserstoff strömt vom oberen rechten Abschnitt zum unteren linken Abschnitt (wie vom Pfeil in 3 dargestellt).
Wie oben beschrieben, strömt das nicht an der Reaktion beteiligte Gas, wie Stickstoff und Wasserdampf, von der Kathode durch die Elektrolytmembran in die Anode. Das nicht an der Reaktion beteiligte Gas wird vom Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, mitgenommen. In dem Brennstoffzellen-Probestück, das in 3 dargestellt ist, strömt Wasserstoff in der Zeichnungsansicht vom oberen rechten Abschnitt zum unteren linken Abschnitt, und daher wird nicht an der Reaktion beteiligtes Gas zum in der Zeichnungsansicht unteren linken Abschnitt mitgenommen. Infolgedessen steigt die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases, oder anders gesagt, der Partialdruck des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in Bezug auf den Gesamtdruck des Gases in der Anode, im in der Zeichnungsansicht unteren linken Abschnitt lokal an.
Infolgedessen strömt eine geringere Wasserstoffmenge zu dieser Stelle, so dass die Wasserstoffmenge in der Anode zum in der Ansicht von 3 unteren linken Abschnitt (dem stromabwärtigen Abschnitt) hin abnimmt. Da die Menge an erzeugter elektrischer Leistung von der Wasserstoffmenge abhängt, nimmt die erzeugte Menge an elektrischer Leistung im stromabwärtigen Abschnitt ab.
4 ist ein Schema, das Messungen von Variationen von Partialdrücken von Wasserstoff und Stickstoff in dem Abschnitt der Anode, in dem sich das nicht an der Reaktion beteiligte Gas ansammelt (d. h. dem stromabwärtigen Ende des Gasstroms), zeigt. Stickstoff und Wasserdampf wandern kontinuierlich von der Kathode zur Anode, wenn ein Unterschied im Partialdruck dieser Gase zwischen den Elektroden besteht. Daher besteht eine Tendenz zur Erhöhung der Stickstoffmenge in der Anode im Lauf der Zeit.
Der Stickstoff, der in die Anode gelangt ist, wird vom Wasserstoff stromabwärts mitgenommen und sammelt sich lokal an. Wenn Wasserstoff kontinuierlich zugeführt wird, um den für die Erzeugung elektrischer Energie verbrauchten Wasserstoff zu ersetzen, sammelt sich der Stickstoff, der in die Anode gelangt ist, schnell im stromabwärtigen Abschnitt an, und daher nimmt der Partialdruck des Stickstoffs in diesem Abschnitt allmählich zu.
Infolgedessen nimmt am stromabwärtigen Ende des Gasstroms in der Anode der Stickstoffdruck im Lauf der Zeit stark zu, und der Partialdruck des Wasserstoffs nimmt proportional dazu ab. Somit sammelt sich in dem oben beschriebenen Brennstoffzellen-Probestück das nicht an der Reaktion beteiligte Gas lokal an, und die Menge (Konzentration) des nicht an der Reaktion beteiligten Gases an dieser Stelle nimmt allmählich zu.
5 ist ein Schema, das ein Ergebnis der Messung der sich im Lauf der Zeit ändernden Spannung des Brennstoffzellen-Probestücks zeigt, das bei der in 3 und 4 dargestellten Messung verwendet wird. Da sich das nicht an der Reaktion beteiligte Gas konzentriert, wie mit Bezug auf 4 beschrieben, nimmt die Wasserstoffmenge, die dem Abschnitt zugeführt wird, an dem sich das nicht an der Reaktion beteiligte Gas konzentriert, ab, und die Ungleichmäßigkeit der Menge an erzeugter elektrischer Leistung, die mit Bezug auf 3 beschrieben wurde, wird ausgeprägter. Dies wirkt sich auf die elektrische Leistungserzeugung der gesamten Brennstoffzelle aus, und die Spannung der Brennstoffzelle nimmt mit der Zeit ab, wie in 5 dargestellt. Infolgedessen kann die Brennstoffzelle elektrische Leistung nicht effizient erzeugen.
[Merkmale und Wirkungen der ersten Ausführungsform]
Um die oben genannten Probleme zu lösen, liegen gemäß der ersten Ausführungsform die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 22 nebeneinander und liegen die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 22 nebeneinander.
Wie oben beschrieben, strömt Wasserstoff durch die Gasverteilungskanäle 14 und 16 in die Gasströmungskanäle 20 und 22, während die Brennstoffzelle 10 elektrische Leistung erzeugt. Das nicht an der Reaktion beteiligte Gas in der Anode wird vom Wasserstoff, der durch die Gasströmungskanäle 20 und 22 strömt, zu stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 20 und 22 mitgenommen. Infolgedessen wird die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in den stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 20 und 22 relativ höher. Genauer wird die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases am stromabwärtigen Ende der Gasströmungskanäle 20 und 22 am höchsten.
Im Gegensatz dazu nimmt die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in den stromaufwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 20 und 22 ab (anders gesagt wird die Wasserstoffkonzentration in den Gasströmungskanälen relativ höher). Genauer wird die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases am stromaufwärtigen Ende der Gasströmungskanäle 20 und 22 am niedrigsten (anders ausgedrückt wird die Wasserstoffkonzentration am stromaufwärtigen Ende der Gasströmungskanäle am höchsten).
Wie in 2 dargestellt, grenzen die Gasströmungskanäle 20 und 22 an die Gasdiffusionsschicht 34 an. Daher wird das Gas in den Gasströmungskanälen 20 und 22 in die Gasdiffusionsschicht 34 diffundiert. Somit wird eine größere Menge (eine höhere Konzentration) an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas einem Abschnitt der Gasdiffusionsschicht 34 zugeführt, der an die stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 und 22 angrenzt. Andererseits wird eine größere Menge an Wasserstoff einem Abschnitt der Gasdiffusionsschicht 34 zugeführt, der an die stromaufwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 und 22 angrenzt.
Da die stromaufwärtigen Abschnitte und die stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 und 22 nebeneinander liegen, liegen Abschnitte, die eine höhere Konzentration an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas enthalten, und Abschnitte, die eine höhere Konzentration an Wasserstoff enthalten, in der Gasdiffusionsschicht 34 nebeneinander. Somit kommt es in der Gasdiffusionsschicht 34 zu einer Gasdiffusion, wodurch das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases und des Wasserstoffs reduziert wird.
Genauer diffundiert, wie von den Pfeilen in 2 dargestellt, Wasserstoff wegen seines Konzentrationsgefälles in der Gasdiffusionsschicht 34 aus Abschnitten, die an die stromaufwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 22 angrenzen und in denen der Partialdruck des Wasserstoffs höher ist, in Abschnitte, die an die stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 angrenzen und in denen der Partialdruck des nicht an der Reaktion beteiligten Gases (in 2 sind nur Stickstoff und Wasserdampf dargestellt) höher ist. Ebenso, obwohl nicht dargestellt, diffundiert das nicht an der Reaktion beteiligte Gas in der Gasdiffusionsschicht 34, wodurch sein Konzentrationsunterschied verkleinert wird.
Im Laufe dieser Gasdiffusion wird die Gasverteilung in der Gasdiffusionsschicht 34 gleichmäßiger, und schließlich ist Wasserstoff im Wesentlichen gleichmäßig in der Brennstoffzelle 10 verteilt. Daher kann die Abnahme der Spannung der erzeugten elektrischen Leistung, die auf eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases zurückgeht, verringert werden.
Wie oben beschrieben, liegen in der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform die stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 und 22 jeweils neben den stromaufwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 20 und 22, und daher wird die Gasdiffusion, mit der das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verringert wird, gefördert. Infolgedessen wird mit einem einfachen Aufbau eine lokale Ansammlung des Gases, das nicht an der in der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktion beteiligt ist, verhindert.
Genauer liegen gemäß der ersten Ausführungsform die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22, an denen die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases am höchsten ist, und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22, an denen die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases am niedrigsten ist, jeweils nebeneinander. Dadurch wird auch die Gasdiffusion, mit der das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verringert wird, wirksam gefördert, und das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases wird schneller verringert.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind die Gasverteilungskanäle 14 und 16, die als Wasserstoffzufuhröffnungen dienen, so angeordnet, dass sie einander gegenüber liegen, wobei die Gasdiffusionsschicht 34 zwischen ihnen angeordnet ist. Die Gasströmungskanäle 20 und 22 gehen von den einander gegenüber liegenden Gasverteilungskanälen aus. Bei diesem Aufbau kann jeder Gasströmungskanal relativ kurz sein. Je länger der Gasströmungskanal ist, desto größer ist die Menge an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas, das zum stromabwärtigen Ende des Gasströmungskanals mitgenommen wird. Gemäß der ersten Ausführungsform sind jedoch die Gasströmungskanäle kürzer, wodurch die Gesamtmenge an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas, das zum stromabwärtigen Ende der Gasströmungskanäle mitgenommen wird, verringert ist.
Da die Gasverteilungskanäle 14 und 16 einander gegenüber angeordnet sind, können ferner die Gasströmungskanäle 20 und 22 abwechselnd angeordnet sein. Daher kann auf einfache Weise die Zahl der nebeneinander liegenden stromaufwärtigen Abschnitte und stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle erhöht werden. Daher kann eine Verringerung des Konzentrationsgefälles des nicht an der Reaktion beteiligten Gases leichter gefördert werden.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind außerdem die Gasströmungskanäle 20 und 22 so angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen gleichmäßig abwechseln. Bei einem solchen Aufbau, bei dem die stromaufwärtigen Enden und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22 gleichmäßig abwechselnd angeordnet sind, kann die Verringerung des Konzentrationsgefälles des nicht an der Reaktion beteiligten Gases wirksamer gefördert werden.
Außerdem sind in der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22 vollständig geschlossen, und daher kann kein Spülen durchgeführt werden. Gemäß der ersten Ausführungsform liegen jedoch die stromabwärtigen Enden und die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle nebeneinander, so dass eine Gasdiffusion, die das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verringert, gefördert wird. Daher weist die erste Ausführungsform einen Vorteil dahingehend auf, dass kein Spülmechanismus vorhanden ist (beispielsweise wird eine aufwändigere Struktur vermieden), während trotzdem eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert wird.
In der ersten Ausführungsform liegen die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22 und die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 20 und 22 jeweils nebeneinander. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Auch wenn die stromaufwärtigen Enden und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle nicht nebeneinander liegen, kann eine Gasdiffusion, die das Gaskonzentrationsgefälle verringert, gefördert werden, wenn stromabwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 und 22 und stromaufwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle 20 und 22 jeweils nebeneinander liegen.
Das heißt, in der vorliegenden Erfindung kann der stromabwärtige Abschnitt des Gasströmungskanals auch als Abschnitt des Gasströmungskanals bezeichnet werden, in dem die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases relativ hoch ist. Ebenso kann der stromabwärtige Abschnitt des Gasströmungskanals als Abschnitt des Gasströmungskanals bezeichnet werden, in dem die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases relativ niedrig ist. Wenn Abschnitte, die sich in der Konzentration an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas unterscheiden, nebeneinander liegen, kommt es zu der beschriebenen Diffusion, und infolgedessen kann eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert werden, wie in der ersten Ausführungsform.
Wenn das stromabwärtige Ende eines Gasströmungskanals, wobei es sich um den Abschnitt handelt, an dem die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases am höchsten ist, und das stromaufwärtige Ende eines Gasströmungskanals, wobei es sich um den Abschnitt handelt, in dem die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases am niedrigsten ist, nebeneinander liegen, wird die Gasdiffusion deutlicher gefördert, und die lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases wird wirksamer verhindert.
Beispielsweise können in der Doppelkammstruktur der Gasströmungskanäle, die in 1 dargestellt sind, die Gasströmungskanäle über eine kürze Strecke als in 1 dargestellt ineinander greifen. In einem solchen Fall kann die lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases mit einem einfachen Aufbau verhindert werden.
Dass die stromaufwärtigen Enden und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle nebeneinander liegen, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, kann auch so beschrieben werden, dass die stromaufwärtigen Abschnitte und die stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle so angeordnet sind, dass sie in Richtung der Ebene der Gasdiffusionsschicht nebeneinander liegen. In einem Brennstoffzellenstapel, der gemäß dieser Ausführungsform aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, können beispielsweise die Gasströmungskanäle 20 und 22 jeder Brennstoffzelle in der Stapelrichtung nebeneinander liegen. Jedoch bedeutet die Beschreibung, dass die Gasströmungskanäle aneinander angrenzen, in der vorliegenden Erfindung nicht, dass die Gasströmungskanäle in Stapelrichtung aneinander angrenzen, sondern in Richtung der Ebene der Gasdiffusionsschicht.
Außerdem wird in der ersten Ausführungsform Wasserstoff durch den Gasverteilungskanal 14 auf die Gasströmungskanäle 20 und durch den Gasverteilungskanal 16 auf die Gasströmungskanäle 22 verteilt. Jedoch besteht die Hauptfunktion der Gasverteilungskanäle 14 und 16 in der Zufuhr von Wasserstoff zu den Gasströmungskanälen 20 und 22, und die Funktion der Wasserstoffverteilung an den entsprechenden Stellen stellt im Aufbau gemäß der ersten Ausführungsform eine untergeordnete Funktion dar. Daher fungiert in dem Fall, wo die Gasverteilungskanäle jeweils mit nur einem Gasströmungskanal in Verbindung stehen, der „Gasverteilungskanal" einfach als „Gaszufuhrkanal".
Die Stapelstruktur der Elektrolytmembran 30 und der Elektrodenkatalysatorschichten 32 in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform entspricht der „Membran/Elektroden-Anordnung" im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der weiter oben beschrieben wurde, die Gasdiffusionsschicht 34 in der ersten Ausführungsform entspricht der „Gasdiffusionsschicht" im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Gasverteilungskanäle 14 und 16 in der ersten Ausführungsform entsprechen dem „Gaszufuhrkanal" im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und die Gasströmungskanäle 20 und 22 in der ersten Ausführungsform entsprechen den „Gasströmungskanälen" im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Außerdem entsprechen die oben beschriebenen Gasverteilungskanäle 14 und 16 in der ersten Ausführungsform dem „ersten Gasverteilungskanal" bzw. dem „zweiten Gasverteilungskanal" im dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und die Gasströmungskanäle 20 und 22 in der ersten Ausführungsform entsprechen dem „ersten Gasströmungskanal" bzw. dem „zweiten Gasströmungskanal" im dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Außerdem entspricht der Zustand in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, bei der die Gasströmungskanäle 20 und 22 in der in der Zeichnungsansicht vertikalen Richtung im Wesentlichen gleichmäßig abwechselnd angeordnet sind, dem Zustand im vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem der erste Gasströ mungskanal und der zweite Gasströmungskanal im Wesentlichen gleichmäßig abwechselnd angeordnet sind.
Außerdem entspricht der Zustand in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, in der der Gasströmungskanal 20 vom Gasverteilungskanal 14 aus über einen Teil der Länge des Separators 12 verläuft und an seinem stromabwärtigen Ende vollständig geschlossen ist, dem Zustand im sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung, in dem der Gasströmungskanal an seinem stromabwärtigen Ende vollständig geschlossen ist.
[Ergebnis eines Versuchs mit der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform]
Nun wird mit Bezug auf 6 bis 8 das Ergebnis eines Versuchs im Hinblick auf die Wirkung der Verhinderung einer Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. In diesem Versuch wird zum Vergleich die zeitabhängige Änderung der Spannung bei einer Brennstoffzelle mit dem Aufbau gemäß der ersten Ausführungsform und bei Brennstoffzellen mit anderem Aufbau untersucht. Die Spannung der verschieden aufgebauten Brennstoffzellen-Probestücke wird gemessen, während die Brennstoffzellen elektrische Leistung mit in der Anode eingeschlossenem Wasserstoff erzeugen.
6 zeigt einen Aufbau einer Brennstoffzelle, die zum Vergleich mit der ersten Ausführungsform hergestellt wurde. 6 ist eine Querschnittsdarstellung einer Anodenseite einer Brennstoffzelle 50 parallel zur Ebene des Separators der Anode, wie in der ersten Ausführungsform.
Ein Separator 52 weist Gasverteilungskanäle 54 und 56 auf, die den Gasverteilungskanälen 14 und 16 in der ersten Ausführungsform entsprechen. Der Separator 52 weist Gasströmungskanäle 60 auf, die in der Zeichnungsansicht in der horizontalen Richtung verlaufen und dort in einem mittleren Abschnitt ausgebildet sind. Die Gasströmungskanäle 60 werden durch Pressbearbeitung des Separators 52 gebildet. Anders als bei den Gasströmungskanälen 20 und 22 in der ersten Ausführungsform steht jeder Gasströmungskanal 60 mit beiden Gasverteilungskanälen 54 und 56 in Verbindung. In diesem Beispiel werden drei Brennstoffzellen 50, die sich in der Tiefe der Gasströmungskanäle 60 unterscheiden (wobei ein Probestück Gasströmungskanäle 60 mit einer Tiefe von 0,2 mm aufweist, ein Probestück Gasströmungskanäle 60 mit einer Tiefe von 0,5 mm aufweist und ein Probestück Gasströmungskanäle 60 mit einer dazwischen liegenden Tiefe zwischen 0,2 mm und 0,5 mm aufweist), hergestellt.
Wenn die Spannung der Brennstoffzelle 50 gemessen wird, wird Wasserstoff von außen zu den Gasverteilungskanälen 54 und 56 geliefert. Der Wasserstoff strömt in Richtung der Pfeile in 6, und nicht an der Reaktion beteiligtes Gas in der Anode wird vom Wasserstoff zum in der Zeichenebene mittleren Abschnitt mitgenommen. Die Brennstoffzelle 50 weist den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Mechanismus, der eine Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert, nicht auf. Daher sammelt sich während der Erzeugung elektrischer Leistung das nicht an der Reaktion beteiligte Gas lokal im in der Zeichnungsansicht mittleren Abschnitt der Brennstoffzelle 50 an.
7 zeigt Messungen der zeitabhängig variierenden Spannung einer Brennstoffzelle mit dem gleichen Aufbau wie die Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform und der Brennstoffzelle 50, die Gasströmungskanäle 60 mit einer Tiefe von 0,2 mm aufweist. In 7 zeigt die durchgezogene Linie Messungen für die Brennstoffzelle mit dem gleichen Aufbau wie die Brennstoffzelle 10 an, und die gepunktete Linie zeigt Messungen für die Brennstoffzelle 50 an. Im Gegensatz zu der Spannung, die von der gepunkteten Linie angezeigt wird, nimmt die Spannung der elektrischen Leistung, die von der durchgezogenen Linie angezeigt wird, nur allmählich ab. Somit kann bestimmt werden, dass der Aufbau der Brennstoffzelle 10 eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert und die Wirkung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases auf die Erzeugung von elektrischer Leistung verringert.
8 zeigt eine Zusammenfassung der Messungen, die in 7 dargestellt sind. Für die in 6 dargestellte Brennstoffzelle 50 ist eine Zusammenfassung der Messungen aller drei Probestücke, die sich in der Tiefe der Gasströmungskanäle 60 unter scheiden, dargestellt. Im Graphen von 8 gibt die Abszisse das Strömungskanalvolumen pro Einheit reaktiver Fläche der Brennstoffzelle an, und die Ordinate gibt die Zeit an, die vergehen muss, bis die sichtbare reaktive Fläche um 10% zurückgeht.
Auf der Basis eines gemeinsamen Bezugs für das Volumen des Gasströmungskanals pro Einheit reaktiver Fläche der Brennstoffzelle, d. h. aufgrund dessen, wie leicht die Konzentration an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas steigt, und durch Umwandeln des Spannungsabfalls der Brennstoffzelle in die Abnahme der Fläche, in der elektrische Leistung erzeugt wird, werden die Probestücke verglichen.
Wie in 8 dargestellt, dauert es bei dem gleichen Strömungskanalvolumen in der Brennstoffzelle bei dem Aufbau gemäß der ersten Ausführungsform länger, bis die sichtbare Fläche, in der elektrische Leistung erzeugt wird, um 10% abgenommen hat. Aufgrund dieser Tatsache kann bestimmt werden, dass der Aufbau der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform die Gasdiffusion fördert, wodurch das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verringert und eine lokale Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert wird.
[Modifikation der ersten Ausführungsform]
(Erste Modifikation)
In der ersten Ausführungsform sind die Gasströmungskanäle 20 und 22 im Wesentlichen gleichmäßig abwechselnd angeordnet, und zwar auf solche Weise, dass die einzelnen Gasströmungskanäle 20 (oder 22) doppelkammartig verschränkt mit den einzelnen Gasströmungskanälen 22 (oder 20) angeordnet sind. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Die Gasströmungskanäle 20 und 22 können auf solche Weise angeordnet sein, dass Paare der Gasströmungskanäle 20 (oder 22) mit Paaren der Gasströmungskanäle 22 (oder 20) doppelkammartig verschränkt angeordnet sind.
Genauer ist eine Brennstoffzelle 110 möglich, die aufgebaut ist wie in 9 dargestellt. Ein Separator 112 der Brennstoffzelle 110 weist Gasverteilungskanäle 114 und 116, Gasströmungskanäle 120, die mit dem Gasverteilungskanal 114 in Verbindung stehen, und Gasströmungskanäle 122, die mit dem Gasverteilungskanal 116 in Verbindung stehen, auf. Paare aus Gasströmungskanälen 120 und Paare aus Gasströmungskanälen 122 sind im Wesentlichen gleichmäßig abwechselnd angeordnet.
Auch bei einem solchen Aufbau liegen stromabwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle 120 und stromaufwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle 122 nebeneinander, und daher kann eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert werden, wie in der ersten Ausführungsform. Die in 9 dargestellte Brennstoffzelle kann als eine beschrieben werden, die Gruppen von Gasströmungskanälen aufweist, die im Wesentlichen gleichmäßig abwechselnd angeordnet sind.
Als Alternative zu den oben beschriebenen Strukturen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform und der Brennstoffzelle 110, die in 9 dargestellt ist, können die abwechselnd angeordneten Gasströmungskanäle 20 und 22 ungleichmäßig angeordnet sein. Genauer können verschiedene Zahlen an Gasströmungskanälen 20 und 22 abwechselnd angeordnet sein. Beispielsweise können die Gasströmungskanäle 20 und 22 auf solche Weise angeordnet sein, dass ein Gasströmungskanal 22 neben zwei Gasströmungskanälen 20 liegt, zwei Gasströmungskanäle 20 neben dem einen Gasströmungskanal 20 liegen, ein Gasströmungskanal 22 neben den beiden Gasströmungskanälen 20 liegt, usw.
Als Alternative zu der oben beschriebenen Struktur können die Gasströmungskanäle 20 und 22 abwechselnd, aber unregelmäßig angeordnet sein. Genauer können beispielsweise die Gasströmungskanäle 20 und 22 auf solche Weise unregelmäßig angeordnet sein, dass ein Gasströmungskanal 22 neben drei Gasströmungskanälen 22 liegt, zwei Gasströmungskanäle 20 neben dem einen Gasströmungskanal 22 liegen, drei Gasströmungskanäle 22 neben den beiden Gasströmungskanälen 20 liegen, usw. Auch wenn die Gasströmungskanäle nicht im Wesentlichen gleichmäßig angeordnet sind, liegen die stromaufwärtigen Abschnitte und die stromabwärtigen Abschnitte einer Gruppe von Gasströmungskanälen neben den stromabwärtigen Abschnitten bzw. den stromaufwärtigen Abschnitten der anderen Gruppe von Gasströmungskanälen, solange die Gasströmungskanäle abwechselnd angeordnet sind. Daher kann eine Glättung der Konzentrationsverteilung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases wirksam gefördert werden.
In dem oben beschriebenen Aufbau gemäß der ersten Ausführungsform sind die Gasströmungskanäle so aufgebaut, dass sie in der Zeichnungsebene bilateral symmetrisch sind. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Die Gasströmungskanäle können asymmetrisch aufgebaut sein. Es ist nur wesentlich, dass der stromaufwärtige Abschnitt und der stromabwärtige Abschnitt des Gasströmungskanals bzw. der Gasströmungskanäle nebeneinander liegen.
Zweite Ausführungsform
[Aufbau, Merkmale und Wirkungen der zweiten Ausführungsform]
10 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Brennstoffzelle 210 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, der 1 entspricht, wo die erste Ausführungsform dargestellt ist. 10 zeigt die Brennstoffzelle 210 gesehen von der Anodenseite aus, und es ist ein Separator 212 der Anode dargestellt. Die Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform weist eine Elektrolytmembran, Elektrodenkatalysatoren und Gasdiffusionsschichten auf wie in der ersten Ausführungsform.
In der ersten Ausführungsform sind zwei Gasverteilungskanäle, genauer die Gasverteilungskanäle 14 und 16, an den einander gegenüber liegenden Enden des Separators 12 angeordnet. Gemäß der zweiten Ausführungsform weist der Separator 212 jedoch nur einen Gasverteilungskanal auf, wie in 10 dargestellt.
In der Brennstoffzelle 210 gemäß der zweiten Ausführungsform stehen drei Gasströmungskanäle 220 mit einem Gasverteilungskanal 214 in Verbindung. Die Gas strömungskanäle 220 verlaufen in einer Richtung vom Gasverteilungskanal 214 aus und machen auf halber Länge eine Rückwärtskehre. Die Gasströmungskanäle 220 verlaufen weiter von den Umkehrabschnitten aus, so dass ihre stromabwärtigen Enden nahe am Gasverteilungskanal 214, d. h. an ihren stromaufwärtigen Enden angeordnet sind.
Gas, das durch den Gasverteilungskanal 214 in die Gasströmungskanäle strömt, strömt durch die Umkehrabschnitte zu den geschlossenen stromabwärtigen Enden, so dass sich Wasserstoff in den Gasströmungskanälen 220 ansammelt. Bei einem solchen Aufbau liegen die stromabwärtigen Abschnitte und die stromaufwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle nebeneinander, und daher kann eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert werden, wie in der ersten Ausführungsform.
Gemäß der zweiten Ausführungsform liegen außerdem der stromaufwärtige Abschnitt und der stromabwärtige Abschnitt der einzelnen Gasströmungskanäle nebeneinander. Infolgedessen kann im Gegensatz zu dem Fall, dass zwei Gasverteilungskanäle einander gegenüber angeordnet sind und Gasströmungskanäle abwechselnd angeordnet sind, wie in der ersten Ausführungsform, die Zahl der Gasverteilungskanäle verringert werden. Infolgedessen kann beispielsweise der Platz auf dem Separator 212 wirksam genutzt werden. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, eine große Zahl von Durchgangsbohrungen im Separator 212 auszubilden, und daher können Probleme wie eine Verringerung der Festigkeit des Separators 212, vermieden werden.
Die Form des Umkehrabschnitts des Gasströmungskanals ist nicht auf die in 10 dargestellte U-Form beschränkt, verschiedene andere Formen, wie eine W-Form, sind ebenfalls möglich. Der Umkehrabschnitt des Gasströmungskanals 220 in der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform entspricht dem „Umkehrabschnitt" im oben beschriebenen fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Dritte Ausführungsform
[Aufbau der Brennstoffzelle gemäß der der zweiten Ausführungsform]
11 ist ein Schema, das eine Brennstoffzelle 310 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 11 ist eine vergrößerte Querschnitts-Teilansicht eines Abschnitts der Brennstoffzelle 310, der dem Abschnitt der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform entspricht, der in 2 dargestellt ist (entlang der Linie A-A von 1). Die Brennstoffzelle 310 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie die Brennstoffzelle 10. Jedoch unterscheidet sich die Struktur eines Separators 312, der an der Gasdiffusionsschicht 34 angebracht ist, von der Struktur des Separators 12 der Brennstoffzelle 10.
Gasströmungskanäle 320 und 332 im Separator 312 weisen den gleichen Aufbau auf wie die Gasströmungskanäle 20 und 22 in der ersten Ausführungsform. Genauer verlaufen die Gasströmungskanäle 320 und 322 doppelkammartig ineinandergreifend in der Ebene des Separators 310, wie die oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Gasströmungskanäle 20 und 22. Die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 320 und die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 322 liegen nebeneinander, und die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 320 und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 322 liegen nebeneinander (siehe 1).
Der in 11 dargestellte Abschnitt entspricht dem Abschnitt der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform, der in 2 dargestellt ist. Das heißt, wie bei 2, die einen stromabwärtigen Abschnitt eines Gasströmungskanals 20 und neben diesem liegende stromaufwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle 22 zeigt, zeigt 11 stromabwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle 320, die neben einem stromaufwärtigen Abschnitt eines Gasströmungskanals 322 liegen.
Anders als beim Separator 12 der ersten Ausführungsform ist im Separator 312 ein Gasabfuhrkanal 324 ausgebildet. Der Gasabfuhrkanal 324 steht lokal mit den stromabwärtigen Enden der einzelnen Gasströmungskanäle 320 in Verbindung. Der Gasabfuhrkanal 324 steht nicht mit den Gasströmungskanälen 322 in Verbindung. Bei einem solchen Aufbau strömt das Gas in den Gasströmungskanälen 320, das zu den stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 320 strömt, durch deren stromabwärtige Abschnitte in die Gasabfuhrkanäle.
Obwohl nicht dargestellt, weist der Separator 312 auch einen zweiten Gasabfuhrkanal auf, der lokal mit den stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle 322 in Verbindung steht. Der zweite Gasabfuhrkanal ist auf solche Weise im Separator 312 ausgebildet, dass der zweite Gasabfuhrkanal nicht mit dem Gasabfuhrkanal 324 in Konflikt kommt. Wie beim Gasabfuhrkanal 324 strömt Gas durch die stromabwärtigen Abschnitte der Gasströmungskanäle 322 in den zweiten Gasabfuhrkanal.
12 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle gemäß der dritten Ausführungsform. 11 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 350, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gemäß der dritten Ausführungsform aufgebaut ist. Die Gasabfuhrkanäle (die Gasabfuhrkanäle 324 und die zweiten Gasabfuhrkanäle, nicht dargestellt) der Brennstoffzellen 310 im Brennstoffzellenstapel 350 sind gemeinsam mit einem Rohr 352 außerhalb des Stapels verbunden.
Das Rohr 352 ist mit einem Spülventil 354 verbunden. Wenn das Spülventil 354 geöffnet ist, steht das Rohr 352 mit einem (nicht dargestellten) Gasabfuhrsystem, das stromabwärts von ihm angeordnet ist, in Verbindung. Wenn das Spülventil 354 geschlossen ist, wird der Gasstrom durch das Spülventil 354 blockiert, und das Gas sammelt sich in den Brennstoffzellen 310 an.
Der Brennstoffzellenstapel 350 steht mit einem Wasserstofftank 356 in Verbindung. Der Wasserstofftank 356 steht mit dem (nicht dargestellten) Gasverteilungskanal jeder Brennstoffzelle 310 im Brennstoffzellenstapel 350 über ein (nicht dargestelltes) Wasserstoffzufuhrventil in Verbindung. Bei einem solchen Aufbau wird Wasserstoff auf angemessene Weise vom Wasserstofftank 356 zu den Gasverteilungskanälen der Brennstoffzellen 310 geliefert und strömt dann in die Gasströmungskanäle 320 und 322.
[Merkmale und Wirkungen der dritten Ausführungsform]
Wenn die Brennstoffzellen gemäß der dritten Ausführungsform elektrische Leistung erzeugen, ist das Spülventil 354 geschlossen, und Wasserstoff wird vom Wasserstofftank 356 geliefert. Auf diese Weise erzeugen die Brennstoffzellen 310, wie in der ersten Ausführungsform, elektrische Leistung mit Wasserstoff, der sich in den jeweiligen Gasströmungskanälen 320 und 322 angesammelt hat. Wie bei der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform liegen in der Brennstoffzelle 310 die stromaufwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 320 und die stromabwärtigen Enden der Gasströmungskanäle 322 nebeneinander. Daher verhindert die Brennstoffzelle 310 auch eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird das Spülventil 354 geöffnet, wenn die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in den Brennstoffzellen 310 während einer kontinuierlichen Erzeugung von elektrischer Leistung einen vorgegebenen Wert erreicht. Dann wird das Gas in den Gasströmungskanälen 320 durch die Gasabfuhrkanäle 324 zum Gasabfuhrsystem ausgetragen. Bei einem solchen Aufbau können die Gasströmungskanäle 320 und 322 nach Bedarf gespült werden, indem das Spülventil 354 auf angemessene Weise geöffnet wird.
Wie oben beschrieben, können gemäß der dritten Ausführungsform die Gasströmungskanäle nach Bedarf gespült werden. Da eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle 310 verhindert werden kann, kann außerdem die Spülfrequenz verringert werden.
In der dritten Ausführungsform wurde der Brennstoffzellenstapel 350 beschrieben, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen 310 zusammengesetzt ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Beispielsweise kann der Gasabfuhrkanal 324 nur einer Brennstoffzelle 310 mit dem Spülventil 354 verbunden sein. Der Gedanke, welcher der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, kann auf jede Art von Brennstoffzelle angewendet werden, die einen Gasabfuhrkanal aufweist, der mit einem Spülventil verbunden ist und der auf angemessene Weise gespült wird. Ferner kann ein anderer Mechanismus als das Spülventil 354 verwendet werden, um die Verbindung des Gasabfuhrkanals 324 mit der Außenseite zu öffnen und zu schließen, um den Gasabfuhrkanal 324 auf angemessen Weise zu spülen. Ferner kann ein anderer Mechanismus als das Spülventil 354 verwendet werden, um die Verbindung des Gasabfuhrkanals 324 mit der Außenseite zu öffnen und zu schließen, um den Gasabfuhrkanal 324 auf angemessene Weise zu spülen.
Der Gasabfuhrkanal 324 in der oben beschriebenen dritten Ausführungsform entspricht dem „Gasabfuhrkanal" im bereits beschriebenen siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Spülventil 354 entspricht dem „Spülventil" im siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und die Gasströmungskanäle 320 und 322 entsprechen den „Gasströmungskanälen" im siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Vierte Ausführungsform
[Aufbau der vierten Ausführungsform]
13 ist ein Schema, das eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die vierte Ausführungsform ist im Wesentlichen genauso aufgebaut wie die dritte Ausführungsform. Jedoch unterscheidet sich die vierte Ausführungsform von der dritten Ausführungsform dahingehend, dass der Gasabfuhrkanal 324 über eine Drosselklappe 454 und nicht über das Spülventil 354 mit dem Gasabfuhrsystem in Verbindung steht. Bauelemente, die denen der dritten Ausführungsform gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und auf ihre Beschreibungen wird verzichtet.
[Merkmale und Wirkungen der vierten Ausführungsform]
Wenn die Brennstoffzelle gemäß der vierten Ausführungsform elektrische Leistung erzeugt, wird Wasserstoff auf angemessene Weise vom Wasserstofftank 356 geliefert, wie in der dritten Ausführungsform. Die Öffnung der Drosselklappe 454 wird angepasst, um den Gasstrom an dieser Stelle zu verringern, und in diesem Zustand wird Gas zum (nicht dargestellten) Gasabfuhrsystem ausgetragen (eine solche Gasabfuhr wird auch als kleine Abfuhr bezeichnet). Während einer kleinen Abfuhr wird nicht an der Reaktion beteiligten Gases kontinuierlich zum Gasabfuhrsystem ausgetragen, und eine Vermehrung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle 310 wird verhindert.
Wenn jedoch beispielsweise eine große Menge an nicht an der Reaktion beteiligtem Gas von der Kathode zur Anode wandert, kann die Konzentration des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Anode allmählich ansteigen. In einem solchen Fall verbleibt das nicht an der Reaktion beteiligte Gas in den Gasströmungskanälen, und das nicht an der Reaktion beteiligte Gas kann sich lokal in den stromabwärtigen Abschnitten der Gasströmungskanäle ansammeln.
Um dieses Problem zu lösen, sind gemäß der vierten Ausführungsform die Brennstoffzellen 310 im Brennstoffzellenstapel 350 so aufgebaut, dass sie eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindern. Daher kann selbst dann, wenn das nicht an der Reaktion beteiligte Gas in den Gasströmungskanälen mehr wird, eine lokale Ansammlung des Gases in den Brennstoffzellen verhindert werden. Anders ausgedrückt, die vierte Ausführungsform kann den Nachteil einer Struktur, die nur zu einer kleinen Abfuhroperation fähig ist, ausgleichen.
Wie oben beschrieben, kann der Aufbau gemäß der vierten Ausführungsform eine Vermehrung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Anode, die auf eine kleine Abfuhr zurückgeht, verhindern und die Gasdiffusion fördern, um das Konzentrationsgefälle des nicht an der Reaktion beteiligten Gases zu verringern. Infolgedessen kann eine Zunahme der Konzentration (Menge) des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle 310 verhindert werden, und eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle 310 kann ebenfalls verhindert werden.
In der vierten Ausführungsform wird das Drosselventil 454 verwendet, um eine kleine Abfuhr zu erreichen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwen dung des Drosselventils 454 beschränkt. Verschiedene Gasströmungsraten-Anpassungsmechanismen abgesehen von der Drosselklappe 454 können verwendet werden, um eine kleine Abfuhr zu erreichen. Ferner kann eine kleine Abfuhr einfach dadurch erreicht werden, dass der Durchmesser der Gasauslassöffnung auf eine vorgegebene Abmessung eingestellt wird, statt die Gasströmungsrate anzupassen.
Der (nicht dargestellte) Gasabfuhrkanal in der oben beschriebenen vierten Ausführungsform entspricht dem „Gasabfuhrkanal" im bereits beschriebenen achten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und die Drosselklappe 454 entspricht der „Drosselklappe" im achten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzelle angewendet werden, die Gasströmungskanäle aufweist, die an ihren stromabwärtigen Enden im Wesentlichen geschlossen sind. Der Ausdruck „im Wesentlichen geschlossen" bedeutet nicht, dass es kein Gasstrom stattfindet. Genauer kann man statt „im Wesentlichen geschlossene Struktur" auch „Struktur, in der die Konzentration (der Partialdruck) des nicht an der Reaktion beteiligten Gases im stromabwärtigen Abschnitt des Gasströmungskanals höher ist) sagen.
Daher schließt der Ausdruck „die im Wesentlichen geschlossene Struktur", der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Struktur ein, die in den Ausführungsformen 1 bis 4 dargestellt ist. Die Brennstoffzellen, welche die oben in den ersten bis vierten Ausführungsformen beschriebenen Gasströmungskanäle an ihren stromabwärtigen Enden aufweisen, können auch als Sackgassen-Brennstoffzellen oder als Brennstoffzellen ohne Zirkulation bezeichnet werden.
In den oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsformen und ihren Modifikationen wurden Brennstoffzellen beschrieben, die eine Vielzahl von Gasströmungskanälen aufweisen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Brennstoffzellen beschränkt. Auch für eine Brennstoffzelle mit nur einem Gasströmungskanal, wie in der ersten Ausführungsform, kann die Gasdiffusion, mit welcher das Gaskonzentrationsgefälle in der Gasdiffusionsschicht 34 verringert wird, durch Ausbilden von Gas strömungskanälen, deren stromaufwärtiger Abschnitt und deren stromabwärtiger Abschnitt nebeneinander liegen, gefördert werden. Somit kann eine lokale Ansammlung des nicht an der Reaktion beteiligten Gases verhindert werden.
Die Brennstoffzellen gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform weisen die folgenden Vorteile gegenüber der in der oben genannten japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2005-116205 offenbarten Technik auf. Die in der oben genannten japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2005-116205 beschriebene Brennstoffzelle weist eine Vielzahl von Gaszufuhröffnungen und eine Vielzahl von Ventilen auf, die mit den jeweiligen Gaszufuhröffnungen verbunden sind, und vergleichmäßigt die Gasverteilung in der Brennstoffzelle durch Öffnen und Schließen der einzelnen Ventile, und daher kann ihr Aufbau aufwändig sein.
Jedoch können die Brennstoffzellen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen wegen der speziell konstruierten Gasströmungskanäle in den Separatoren eine lokale Ansammlung der nicht an der Reaktion beteiligten Gase mit einem relativ einfachen Aufbau verhindern. Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen kann außerdem die Ungleichmäßigkeit der Gaskonzentration in Richtung der Ebene der Brennstoffzelle wirksam verringert werden.
Eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung erzeugt und die mindestens eine der folgenden Bedingungen (i) bis (iii) erfüllt, gehört zu den Dead-End-Brennstoffzellen.

(i) Eine Brennstoffzelle, die ständig elektrische Leistung erzeugt, ohne Gas aus der Anode (aus den Gasströmungskanälen auf der Anodenseite) abzugeben.
(ii) Eine Brennstoffzelle, die in einer Situation, wo der Partialdruck eines Verunreinigungsgases in der Anode (in den oben beschriebenen Ausführungsformen eines nicht an der Reaktion beteiligten Gases, wie Stickstoff, das durch die Elektrolytmembran von der Kathode zur Anode gewandert ist) und der Partialdruck des Verunreinigungsgases in der Kathode sich im Wesentlichen die Waage halten (oder im Wesentlichen gleich sind), ständig elektrische Leistung erzeugt. Anders ausgedrückt, eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung in einer Situation erzeugt, wo der Partialdruck des Verunreinigungsgases in der Anode auf den Partialdruck des Verunreinigungsgases in der Kathode angehoben wird.

Wie in der 1. Ausführungsform beschrieben, ist die Elektrolytmembran gasdurchlässig. Wenn ein Unterschied im Partialdruck eines Gases zwischen der Kathode und der Anode vorhanden ist, wandert das Gas durch die Elektrolytmembran, um den Partialdruckunterschied zu verringern. Infolgedessen gleichen sich der Partialdruck des Verunreinigungsgases in der Anode und der Partialdruck des Verunreinigungsgases in der Kathode schließlich im Wesentlichen an. Die Brennstoffzelle (ii) ist eine Brennstoffzelle, die in einer solchen Situation elektrische Leistung erzeugt.

(iii) Eine Brennstoffzelle, die den Brennstoff, welcher der Anode zugeführt wird (in der oben beschriebenen Ausführungsform das wasserstoffhaltige Reaktionsgas), im Wesentlichen vollständig für die Erzeugung elektrischer Leistung verbraucht.

Der Ausdruck „im Wesentlichen vollständig" bedeutet vorzugsweise sämtlichen zugeführten Kraftstoff außer dem Kraftstoff, der durch die Dichtungsstruktur und die Elektrolytmembran aus der Anode austritt.
Der Aufbau der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf eine Brennstoffzelle anwendbar, die nicht immer im Dead-End-Modus arbeitet, sondern die unter bestimmten Umständen im Dead-End-Modus arbeitet (beispielsweise wenn die Last gering ist). Das heißt, die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Brennstoffzellen beschränkt, die unter allen Bedingungen, unter denen elektrische Leistung erzeugt wird, im Dead-End-Modus arbeiten. Der Gedanke der vorliegenden Erfindung kann auf jede Brennstoffzelle angewendet werden, die unter einer bestimmten Bedingung für die Erzeugung elektrischer Leistung (beispielsweise wenn die Last gering ist) im Dead-End-Modus arbeitet.
In den Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung können die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite genauso aufgebaut sein wie die Gasströmungs kanäle auf der Anodenseite. Jedoch können die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite beispielsweise im Hinblick auf eine Senkung des Druckverlustes auch anders ausgebaut sein als die Gasströmungskanäle auf der Anodenseite.
Beispielsweise stehen die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite im Hinblick auf die Senkung des Druckverlustes vorzugsweise mit sowohl der Zufuhröffnung als auch der Abfuhröffnung für das Kathodengas (in den oben beschriebenen Ausführungsformen Luft) in Verbindung. Das heißt, wenn aus den Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellenstapel gebildet wird, stehen die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite der einzelnen Brennstoffzellen vorzugsweise sowohl mit der Gaszufuhrzweigleitung als auch mit der Gasabfuhrzweigleitung auf der Kathodenseite in Verbindung.
Die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite sind vorzugsweise nutartige Strömungskanäle, grubenartige Strömungskanäle oder poröse Strömungskanäle (wobei ein poröses Material als Struktur für das Durchleiten von Gas verwendet wird). Gaszu- und -abfuhr durch die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite können dadurch erleichtert werden, dass die Gasströmungskanäle auf der Kathodenseite so gestaltet werden, dass der Druckverlust in den Gasströmungskanälen auf der Kathodenseite geringer ist als in den Gasströmungskanälen auf der Anodenseite oder dass der Gasverlust konstant ist.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLE
Schaffung einer Brennstoffzelle, die eine lokale Ansammlung eines nicht an einer Reaktion beteiligten Gases in der Brennstoffzelle verhindern kann.
Eine Gasdiffusionsschicht ist auf eine Membran/Elektroden-Anordnung gestapelt, bei der es sich um einen Stapel aus einer Elektrolytmembran und Elektrodenkatalysatorschichten handelt. Ein Separator mit Gasströmungskanälen ist auf solche Weise an der Gasdiffusionsschicht befestigt, dass die Gasströmungskanäle an die Gasdiffusionsschicht angrenzen. Ein Gasverteilungskanal, durch den Gas, das der Membranelektrodenanordnung zugeführt wird, strömt, ist im Separator ausgebildet. Die Gasströmungskanäle stehen an ihren stromaufwärtigen Enden mit dem Gasverteilungskanal in Verbindung und sind an ihren stromabwärtigen Enden im Wesentlichen geschlossen. Die Gasströmungskanäle sind so gestaltet, dass stromabwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle und stromaufwärtige Abschnitte der Gasströmungskanäle nebeneinander liegen.

10, 110, 210: Brennstoffzelle
12, 112, 212, 312: Separator
14, 16, 114, 116, 214: Gasverteilungskanal
20, 22, 120, 122, 220, 320, 322: Gasströmungskanal
30: Elektrolytmembran
32: Elektrodenkatalysatorschicht
34: Gasdiffusionsschicht
324: Gasabfuhrkanal
354: Spülventil
350: Brennstoffzellenstapel
356: Wasserstofftank
454: Drosselklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-116205 [0002, 0004, 0121, 0121]
- JP 2001-126746 [0004]

Claims

Brennstoffzelle, aufweisend: eine Membran/Elektroden-Anordnung; eine Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran/Elektroden-Anordnung gestapelt ist; und einen oder mehrere Gasströmungskanäle, die angrenzend an die Gasdiffusionsschicht ausgebildet sind; und einen Gaszufuhrkanal, durch den Gas, das den Gasströmungskanälen zugeführt wird, strömt, wobei die Gasströmungskanäle an ihren stromaufwärtigen Seiten mit dem Gaszufuhrkanal in Verbindung stehen und an ihren stromabwärtigen Seiten im Wesentlichen geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärtiger Teil eines Gasströmungskanals von den Gasströmungskanälen neben einem stromaufwärtigen Teil dieses Gasströmungskanals oder einem stromaufwärtigen Teil eines anderen Gasströmungskanals von den Gasströmungskanälen liegt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabwärtige Ende eines Gasströmungskanals von den Gasströmungskanälen neben dem stromaufwärtigen Ende dieses Gasströmungskanals oder dem stromaufwärtigen Ende eines anderen Gasströmungskanals von den Gasströmungskanälen liegt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaszufuhrkanal einen ersten Gaszufuhrkanal und einen zweiten Gaszufuhrkanal auf weist, die mit dazwischen angeordneter Gasdiffusionsschicht in Richtung der Ebene der Membran/Elektroden-Anordnung angeordnet sind, wobei die Gasströmungskanäle einen ersten Gasströmungskanal, der an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem ersten Gaszufuhrkanal in Verbindung steht und an seinem stromabwärtigen Ende im Wesentlichen geschlossen ist, und einen zweiten Gasströmungskanal umfasst, der an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem zweiten Gasströmungskanal in Verbindung steht und an seinem stromabwärtigen Ende im Wesentlichen geschlossen ist, und ein stromaufwärtiger Abschnitt des ersten Gasströmungskanals und ein stromabwärtiger Abschnitt des zweiten Gasströmungskanals nebeneinander liegen und ein stromabwärtiger Abschnitt des ersten Gasströmungskanals und ein stromaufwärtiger Abschnitt des zweiten Gasströmungskanals nebeneinander liegen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasströmungskanal und der zweite Gasströmungskanal abwechselnd angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasströmungskanal zwischen dem stromaufwärtigen Abschnitt und dem stromabwärtigen Abschnitt einen Umkehrabschnitt aufweist, und der stromabwärtige Abschnitt des Gasströmungskanals neben dem stromaufwärtigen Abschnitt des Gasströmungskanals liegt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasströmungskanal an seinem stromabwärtigen Ende vollständig geschlossen ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle ferner aufweist: einen Gasabfuhrkanal, der mit dem stromabwärtigen Ende verbunden ist; und ein Spülventil, das im Gasabfuhrkanal angeordnet ist und das geöffnet und geschlossen werden kann, um den Verbindungszustand des Gasabfuhrkanals umzuschalten.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle ferner aufweist: einen Gasabfuhrkanal, der mit dem stromabwärtigen Ende verbunden ist, und eine Drosselklappe, die in dem Gasabfuhrkanal angeordnet ist.