DE112007002797T5

DE112007002797T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007002797T5
Application number: DE112007002797T
Authority: DE
Inventors: Kazunari Toyota-shi Moteki; Keiji Kariya-shi Hashimoto
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: CA2653876C; US20090239120A1; DE112007002797B4; JP4678359B2; CN101573817A; WO2008050215A1; CA2653876A1; US8034510B2; JP2008108573A; CN101573817B

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Elektrolytschicht, einer Elektrode, die mit einem Katalysator versehen ist, der an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, und einem gaskanalbildenden Element, das an einer Seite der Elektrode angeordnet ist und das einen Kanal zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer Ebene der Elektrode bildet, wobei die Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass das gaskanalbildende Element so aufgebaut ist, dass eine Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten, in denen sich jeweils Gratabschnitte und Wannenabschnitte kontinuierlich in einer ersten Richtung miteinander abwechseln, in einer zweiten Richtung, die die erste Richtung und eine Richtung einer Amplitude der Gratabschnitte und der Wannenabschnitte schneidet, miteinander verbunden sind, und dass zwei benachbarte gewellte Plattenabschnitte aus der Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten derart miteinander verbunden sind, dass die Wannenabschnitte von einem der zwei gewellten Plattenabschnitte mit den Gratabschnitten des anderen der gewellten Plattenabschnitte verbunden sind und dass durch die Verbindung zwischen den Wannenabschnitten und den Gratabschnitten ausgebildeten Verbindungsebene abgestufte Maschen bilden,...

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die gaskanalbildende Elemente hat.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
In den vergangenen Jahren wurde die Aufmerksamkeit auf Brennstoffzellen als Energiequelle gerichtet, die Kraft durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Wasserstoffgas und Sauerstoff erzeugen. Eine Brennstoffbatterie hat einen Aufbau, der durch Stapeln einer Vielzahl von Zellen gebildet wird, von denen jede konstruiert wird, indem eine Membran-Elektroden-Baugruppe, die aus einer Elektrolytmembran und daran ausgebildeten Elektrodenkatalysatorschichtn aufgebaut ist, Separatoren und zwischen der Membran-Elektroden-Baugruppe und den Separatoren angeordneten Gaskanälen integriert werden. Die Gaskanäle befördern die für die Erzeugung elektrischer Energie der Brennstoffbatterie verwendeten Reaktionsgase, beispielsweise Wasserstoffgas oder Oxidationsgas, in die Membran-Elektroden-Baugruppen.
Die Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2005-310633 ( JP-A-2005-310633 ) schlägt eine Konstruktion vor, bei der als Element zum Ausbilden der Gaskanäle ein gestrecktes Metall verwendet wird. Das gestreckte Metall ist eine mit regelmäßig ausgebildeten Durchdringungslöchern mit der gleichen Form versehene Metallplatte, die in eine ebene, plattenartige Form gewalzt wurde.
Auch wenn in der vorstehend erwähnten Technologie aus dem Stand der Technik ein gestrecktes Metall mit vielen Durchdringungslöchern verwendet wird, sind die Kanäle jedoch durch streifenartige Vertiefungsabschnitte gebildet, die sich in einer Ebenenrichtung der Elektrodenkatalysatorschicht erstrecken, sodass die Strömungsrichtungen des Reaktionsgases hauptsächlich in der Ebenenrichtung der Elektrodenkatalysatorschicht verlaufen und es unwahrscheinlich ist, dass das Reaktionsgas in einer zu der Ebene senkrecht verlaufenden Richtung strömt (im Weiteren auch als „die zu der Ebene senkrecht verlaufende Richtung” bezeichnet). Daher gibt es ein Problem, dass die Effizienz bei der Diffusion der Reaktionsgase in den Gaskanälen nicht zufriedenstellend erhöht werden kann.
Vom Gesichtspunkt, einen Gasmangel an der Seite der Elektrodenkatalysatorschicht zu beheben, und hinsichtlich der Verbesserung der Ablasseigenschaften ist es wichtig, die Gasdiffusionsschicht zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
In Hinblick auf die vorstehend erwähnten Umstände ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die zur Verbesserung der Diffusionseffizienz eines Reaktionsgases in einem Gaskanal beabsichtigt ist.
Dementsprechend hat die Brennstoffzelle der Erfindung eine Elektrolytschicht, eine mit einem Katalysator versehene Elektrode, die an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, und ein gaskanalbildendes Element, das an einer Seite der Elektrode angeordnet ist und das einen Kanal zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer Ebene der Elektrode bildet und eine Konstruktion hat, bei der das gaskanalbildende Element so konstruiert ist, dass eine Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten, in denen sich jeweils Gratabschnitte und Wannenabschnitte kontinuierlich in einer ersten Richtung abwechseln, in einer zweiten Richtung, die die erste Richtung und eine Richtung einer Amplitude der Gratabschnitte und der Wannenabschnitte schneidet, miteinander verbunden sind, und so, dass zwei gewellte Plattenabschnitte aus der Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten derart miteinander verbunden sind, dass die Wannenabschnitte von einem der zwei gewellten Plattenabschnitte mit den Gratabschnitten von dem anderen der gewellten Plattenabschnitte verbunden sind und Verbindungsebenen, die durch die Verbindung zwischen den Wannenabschnitten und den Gratabschnitten ausgebildet sind, abgestufte Maschen bilden, und in denen eine Ebenenrichtung eines jeden der gewellten Plattenabschnitte mit Bezug auf die Ebene der Elektrode um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist.
Gemäß der wie vorstehend beschrieben konstruierten Brennstoffzelle wird das Reaktionsgas über die durch die Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten des gaskanalbildenden Elements ausgebildeten Kanäle zu der Ebene der Elektrode zugeführt. Da genauer gesagt jeder der gewellten Plattenabschnitte derart konstruiert ist, dass seine Ebenenrichtung mit Bezug auf die Ebene der Elektrode um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist, strömt das Reaktionsgas entlang der Flächen der gewellten Plattenabschnitte in Richtungen, die zumindest eine Komponente der zu der Ebene der Elektrode senkrecht verlaufenden Richtung haben. Da im Übrigen die durch die Wannenabschnitte des einen von zwei benachbarten gewellten Plattenabschnitten und die Gratabschnitte des anderen der gewellten Plattenabschnitte ausgebildeten Verbindungsebenen Maschen (Durchdringungslöcher) in dem kanalbildenden Element bilden, können die Gasströmungseigenschaften bezüglich der senkrecht zur Elektrodenebene verlaufenden Richtung erhöht werden. Andererseits sind die gewellten Plattenabschnitte derart konstruiert, dass sich die Gratabschnitte und die Wannenabschnitte kontinuierlich miteinander abwechseln, dem Reaktionsgas zudem ermöglicht wird, in Richtung der Wannenabschnitte zu strömen, und dass der Gasstrom in der Ebenenrichtung der Elektrode nicht behindert wird. Da das Reaktionsgas zusätzlich zu der ebenen Richtung der Elektrode zufriedenstellend in der bezüglich der Elektrodenebene senkrecht verlaufenden Richtung zugeführt werden kann, kann daher die Diffusionseffizienz des Reaktionsgases zufriedenstellend erhöht werden.
Die Verbindungsebenen in dem gaskanalbildenden Element können mit Bezug auf eine Strömungsrichtung des Reaktionsgases in Richtung zu der Elektrode geneigt sein. Da gemäß dieser Konstruktion die Effizienz beim Zuführen des Reaktionsgases in Richtung der Ebene der Elektrode besonders erhöht werden kann, wird es möglich, das Reaktionsgas aktiv in die Elektrolytschicht-Elektroden-Baugruppe einzubringen. Daher kann eine erhöhte Abgabe der Brennstoffzelle erreicht werden.
Ferner können die Verbindungsebenen in dem gaskanalbildenden Element mit Bezug auf eine Strömungsrichtung des Reaktionsgases von der Elektrode weg geneigt sein. Da gemäß dieser Konstruktion der von der Elektrode weg gerichtete Reaktionsgasstrom erhöht werden kann, kann die Abgabe des Produktwassers von der Elektrode weg durch Verwendung des Reaktionsgasstroms gefördert werden. Als ein Ergebnis kann eine Verschlechterung der Spannungsstabilität infolge eines Flutungsvorgangs verhindert werden.
Die zweite Richtung kann eine zu der ersten Richtung und zu der Richtung der Amplitude der Gratabschnitte und der Wannenabschnitte senkrecht verlaufende Richtung sein. Im Übrigen können die Breiten in der Querrichtung der Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten in der zweiten Richtung gleich zueinander sein.
Das gaskanalbildende Element ist in einer solchen Richtung angeordnet, dass eine Richtung der Ausrichtung der Verbindungsebenen parallel zu der Ebene der Elektrode verläuft. Da gemäß dieser Konstruktion das gesamte gaskanalbildende Element parallel zu der Ebene der Elektrode platziert werden kann, wird das Anordnen des gaskanalbildenden Elements an der Seite der Elektrode einfach. Insbesondere in dem Fall, dass bei dieser Konstruktion die gewellten Plattenabschnitte die gleiche Breite in der Querrichtung haben, liegen die elektrodenseitigen Kanten der Verbindungsebene an einer Ebene, sodass die Kontaktbereiche zwischen dem gaskanalbildenden Element und der Elektrode vergrößert werden können. Folglich kann der Kontaktwiderstand zwischen dem gaskanalbildenden Element und der Elektrode verringert werden und daher kann eine verbesserte Leistung der Brennstoffzelle erreicht werden.
In der wie vorstehend beschrieben konstruierten Brennstoffzelle können die Maschen in Blickrichtung aus der zweiten Richtung eine hexagonale Form aufweisen. Alternativ können die Maschen eine viereckige Form aufweisen. Gemäß dieser Konstruktion haben die Maschen als durch das gaskanalbildende Element gebildete Durchdringungslöcher eine sogenannte Bienenwabenform oder eine zu der Bienenwabenform ähnliche Form, und zwar gesehen aus der zweiten Richtung. Folglich können Durchdringungslöcher mit einer guten Gleichmäßigkeit ausgebildet werden und daher kann die Strömungseffizienz des Reaktionsgases verbessert werden.
Das gaskanalbildende Element kann ein Element sein, das durch Ausbilden von Schnitten in einem Zickzackmuster in einem Metallblech und durch Strecken der Schnitte hergestellt wird. Gemäß dieser Konstruktion kann das gaskanalbildende Element durch ein einfaches Herstellungsverfahren hergestellt werden, das heißt, die Herstellung des gaskanalbildenden Elements ist einfach.
Die wie vorstehend beschrieben konstruierte Brennstoffzelle kann ferner einen Separator aufweisen und das gaskanalbildende Element kann zwischen der Elektrode und dem Separator angeordnet sein. Der Separator kann ein dreischichtiger Separator der Stapelbauweise sein, der durch Stapeln von drei elektrisch leitenden Platten ausgebildet wird, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Gemäß der Konstruktion, die die dreischichtigen Separatoren der Stapelbauweise verwendet, besteht kein Bedarf zum Ausbilden von Gaskanälen an den Separatoren und die Strömungseffizienz des Reaktionsgases kann verbessert werden. Da im Übrigen der dreischichtige Separator der Stapelbauweise ebene Oberflächen des Separators zulässt, können die Kontaktbereiche zwischen dem Separator und dem gaskanalbildenden Element erhöht werden. Folglich kann der Kontaktwiderstand zwischen dem Separator und der Elektrode verringert werden und daher kann eine verbesserte Leistung der Brennstoffzelle erreicht werden.
Die Erfindung kann neben den vorgenannten Arten auf verschiedene Arten umgesetzt werden. Beispielsweise kann die Erfindung auch in der Form eines Brennstoffzellensystems umgesetzt werden, das mit der Brennstoffzelle der Erfindung oder dergleichen versehen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale, deren Vorteile und die technische sowie industrielle Bedeutung dieser Erfindung werden durch ein Studium der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Berücksichtigung der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 ein Schaubild ist, das eine Gesamtkonstruktion einer Brennstoffbatterie 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 eine Schnittansicht einer der Brennstoffbatteriezellen 10 entlang einer Ebene A-A aus 1 zeigt, die die Brennstoffbatterie 100 bildet;
3 eine Perspektivansicht ist, die ein gaskanalbildendes Element 30 in diesem Ausführungsbeispiel zeigt;
4 eine Draufsicht des gaskanalbildenden Elements 30 ist;
5 eine Frontansicht des gaskanalbildenden Elements 30 ist;
6 eine Schnittansicht des gaskanalbildenden Elements 30 entlang einer Ebene B-B von 4 ist;
7 eine Schnittansicht des gaskanalbildenden Elements 30 ist, das zwischen der Kathodenseite eines MEGA 25 und eines Separators 40 angeordnet ist;
8 ein Schaubild ist, das den Gasstrom entlang der Flächen der Verbindungsebenen S im Einzelnen zeigt;
9 eine Schnittansicht eines gaskanalbildenden Elements 30' ist, das zwischen der Anodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 angeordnet ist;
10A bis 10F Schaubilder sind, die ein Herstellungsverfahren für das gaskanalbildende Element 30 zeigen;
11 eine Frontansicht einer oberen Schneide D1 ist;
12 eine Schnittansicht eines Gaskanals 128 und dessen Umgebung in einer Brennstoffbatterie 200 gemäß einer ersten Modifikation des Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt; und
13 eine Perspektivansicht ist, die ein gaskanalbildendes Element 230 zeigt, das in einer Brennstoffbatterie gemäß einer zweiten Modifikation des Ausführungsbeispiels vorgesehen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen ausführlich beschrieben.
Als Erstes wird eine Gesamtkonstruktion einer Kraftstoffbatterie beschrieben. 1 ist ein darstellendes Schaubild, das eine Gesamtkonstruktion einer Kraftstoffbatterie 100 in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. 2 ist eine Schnittansicht einer der Brennstoffbatteriezellen 10 entlang einer Ebene A-A aus 1, die die Brennstoffbatterie 100 bilden. Die Brennstoffbatterie 100 dieses Ausführungsbeispiels ist eine Brennstoffbatterie der Festpolymerbauweise, die mit einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgas versorgt wird und die durch elektrochemische Reaktionen zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidationsgas Elektrizität erzeugt (im Weiteren werden diese als „Reaktionsgase” nach Bedarf bezeichnet).
Wie in 1 gezeigt ist, sind in der Brennstoffbatterie 100 eine Vielzahl von Brennstoffbatteriezellen 10 gestapelt und sind an beiden Enden mittels Endplatten 85, 86 geklemmt. Jede der Endplatten 85, 86 hat Durchdringungslöcher zum Zuführen oder Ablassen der Reaktionsgase und dergleichen. Über diese Durchdringungslöcher werden die Reaktionsgase gleichmäßig von einem externen Wasserstofftank, einem Kompressor usw. (nicht gezeigt) in die Brennstoffbatterie 100 zugeführt.
Wie in 2 gezeigt ist, hat jede Brennstoffbatteriezelle 10 eine Membranelektrodenbaugruppe MEA 24, Gasdiffusionsschichten 23a, 23b, Gaskanäle 28, 29, ein Dichtungselement 26 und Separatoren 40. Die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b befinden sich an zwei entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenbaugruppe 24. Ein Element, das aus der MEA 24, der Gasdiffusionsschicht 23a und der Gasdiffusionsschicht 23b konstruiert ist, wird als MEGA 25 bezeichnet. Die Gaskanäle 28, 29 sind zwischen dem MEGA 25 und den Separatoren 40 angeordnet. Die MEGA 25 und die Gaskanäle 28, 29 sind einstückig mit dem Dichtungselement 26 ausgebildet, sodass ein Außenumfang der MEGA 25 und der Gaskanäle 28, 29 von dem Dichtungsring 26 umgeben ist. Die Separatoren 40 sind an beiden Seiten der integralen Struktur aus der MEGA 25, den Gaskanälen 28, 29 und dem Dichtungselement 26 angeordnet.
Die MEA 24 hat eine Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 22a und eine Anodenelektrodenkatalysatorschicht 22b, die an Oberflächen einer Elektrolytmembran 21 ausgebildet sind. Die Elektrolytmembran 21 ist eine dünne Folie aus einem Festpolymermaterial, das eine Protonenleiteigenschaft hat und eine gute elektrische Leitfähigkeit in einem nassen Zustand hervorbringt. Die Elektrolytmembran 21 ist in einer viereckigen Form ausgebildet, die kleiner als die Außengestalt der Separatoren 40 und größer als die Außengestalt der Gaskanäle ist. Die Elektrolytmembran 21 ist beispielsweise aus Nafion gefertigt. Die Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 22a und die Anodenelektrodenkatalysatorschicht 22b, die an den Oberflächen der Elektrolytmembran 21 ausgebildet sind, sind mit einem Katalysator, beispielsweise mit Platin, bestückt, der die elektrochemischen Reaktionen beschleunigt. Die Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 22a und die Anodenelektrodenkatalysatorschicht 22b entsprechen jeweils einer „mit einem Katalysator versehenen Elektrode” gemäß der Erfindung.
Jede der Gasdiffusionsschichten 23a, 23b ist ein aus Kohlenstoff gefertigter poröser Körper, dessen Porosität bei circa 20% liegt, und der beispielsweise aus einem Karbongewebe, einem Karbonpapier usw. ausgebildet ist. Die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b sind mittels einer Verbindungstechnik mit der MEA 24 in die MEGA 25 integriert. Im Übrigen ist die Gasdiffusionsschicht 23a an der Kathodenseite der MEA 24 angeordnet und die Gasdiffusionsschicht 23b ist an der Anodenseite der MEA 24 angeordnet. Die Gasdiffusionsschicht 23a lässt das Kathodengas in Richtungen der Dicke der Schicht diffundieren, sodass das Gas zu der gesamten Oberfläche der Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 22a zugeführt wird. Die Gasdiffusionsschicht 23b lässt das Anodengas in Richtungen der Dicke der Schicht diffundieren, sodass das Gas zu der Gesamtfläche der Anodenelektrodenkatalysatorschicht 22b zugeführt wird. Die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b sind hauptsächlich zum Zwecke des Diffundierenlassens des Gases in den Richtungen derer Dicken vorgesehen und haben daher eine relativ geringfügige Porosität.
Die Gaskanäle 28, 29 sind jeweils aus einem kanalbildenden Element konstruiert, das durch Verarbeiten eines elektrisch leitfähigen Metalls hergestellt wird. Der Aufbau des kanalbildenden Elements wird später ausführlich beschrieben. Der Gaskanal 28 ist zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 (der Kathodenseite der MEA 24) und dem Separator 40 angeordnet. Es ist dabei anzumerken, dass der Gaskanal 28 in diesem Ausführungsbeispiel viele Gasströmungswege aufweist. Der Gaskanal 29 befindet sich an der Anodenseite der MEGA 25 (der Anodenseite der MEA 24) und dem Separator 40. Es ist zudem hier anzumerken, dass der Gaskanal 29 in diesem Ausführungsbeispiel viele Gasströmungswege aufweist. Die in den Gaskanälen 28, 29 strömenden Reaktionsgase werden zu der MEGA 25 zugeführt, während sie in den Kanälen strömen, und werden über die Gasdiffusionsschichten 23a, 23b der MEGA 25 zu der Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 22a und der Anodenelektrodenkatalysatorschicht 22b diffundieren gelassen und werden somit durch die elektrochemischen Reaktionen verbraucht.
Das Dichtungselement 26 ist aus einem isolierenden Harzmaterial aus einem Gummi mit einer Elastizität, etwa einem Silikongummi, einem Butylgummi, einem Fluorgummi usw. gefertigt. Das Dichtungselement 26 ist durch Einspritzformgebung entlang des Außenumfangs der MEGA 25 und der Gaskanäle 28, 29 einstückig mit der MEGA 25 und den Gaskanälen 28, 29 ausgebildet. Das Dichtungselement 26 ist in einer im Wesentlichen viereckigen Form ausgebildet, die im Wesentlichen so groß wie die der Separatoren 40 ist. Wie in 1 gezeigt ist, sind Durchdringungslöcher, die die Verteiler der Reaktionsgase und des Kühlwassers bilden, entlang der vier Seiten des Dichtungsrings 26 ausgebildet. Die verteilerbildenden Durchdringungslöcher des Dichtungselements 26 sind die gleichen wie die in den Separatoren 40 ausgebildeten Durchdringungslöcher und werden später, zusammen mit dem Aufbau der Separatoren 40, beschrieben.
Um die verteilerbildenden Durchdringungslöcher herum sind Stellen ausgebildet, die ein jedes Durchdringungsloch umgeben und die in der Richtung der Dicke des Dichtungselements 26 vorragen. Die vorragenden Stellen sind im Wesentlichen mit den Separatoren 40 in Kontakt, die den Dichtungsring 26 zwischen sich legen, und kollabieren und verformen sich, nachdem sie eine vorbestimmte Befestigungskraft in der Stapelungsrichtung empfangen haben. Als ein Ergebnis bilden die vorragenden Stellen Dichtungslinien SL, die die Leckage von in den Verteilern strömendem Fluid (Wasserstoff, Sauerstoff, Kühlwasser) verhindern. Die vorragenden Stellen werden zu Lippenabschnitten der Dichtungslinien SL (siehe 2).
Als Nächstes werden die Separatoren 40 beschrieben, die die durch die elektrochemischen Reaktionen erzeugte Elektrizität sammeln. Die Separatoren 40 sind dreischichtige Separatoren der gestapelten Bauweise, die durch Stapeln von drei dünnen Metallplatten ausgebildet werden. Genauer gesagt ist jeder Separator 40 aus einer Kathodenplatte 41, die mit dem Gaskanal 28 in Kontakt ist, der ein Kanal für das Oxidationsgas ist, einer Anodenplatte 43, die mit dem Gaskanal 29 in Kontakt ist, der ein Kanal für das Brennstoffgas ist, und einer Zwischenplatte 42 aufgebaut, die zwischen den beiden Platten zwischengelegt ist und die einen Kanal hauptsächlich für das Kühlwasser bildet.
Die drei Platten eines jeden Separators 40 haben glatte, ebene Oberflächen, die in die Richtung der Dicke des Separators 40 zum Ausbilden von Kanälen zeigen (d. h., deren Kontaktflächen, die mit den Gaskanälen 28, 29 in Kontakt sind, sind eben), und die aus einem elektrisch leitfähigen Metallmaterial ausgebildet sind, etwa aus rostfreiem Stahl, Titan, einer Titanlegierung usw.
Die drei Platten haben Durchdringungslöcher, die die vorstehend erwähnten verschiedenen Verteiler bilden. Genauer gesagt sind, wie in 1 gezeigt ist, lange Seitenabschnitte des im Wesentlichen viereckigen Separators 40 mit einem Durchdringungsloch 41a zum Zuführen des Oxidationsgases und einem Durchdringungsloch 41b zum Ablassen des Oxidationsgases versehen. Im Übrigen sind die kurzen Seitenabschnitte des Separators 40 mit einem Durchdringungsloch 41c zum Zuführen des Brennstoffgases und einem Durchdringungsloch 41d zum Ablassen des Brennstoffgases versehen. Die kurzen Seitenabschnitte des Separators 40 haben zudem jeweils ein Durchdringungsloch 41e zum Zuführen des Kühlwassers sowie ein Durchdringungsloch 41f zum Ablassen des Kühlwassers.
Neben den Durchdringungslöchern für die Verteiler hat die Kathodenplatte 41 zudem eine Vielzahl von Lochabschnitten 45, 46, die die Auslass- und Einlassöffnungen des Gaskanals 28 für das Oxidationsgas bilden. Auf ähnliche Weise hat die Anodenplatte 43 abgesehen von den vorstehend erwähnten Durchdringungslöchern für die Verteiler zudem eine Vielzahl von Lochabschnitten (nicht gezeigt), die die Auslass- und Einlassöffnungen des Gaskanals 29 für das Brennstoffgas bilden.
Von den verteilerbildenden Durchdringungslöchern, die in der Zwischenplatte 42 ausgebildet sind, ist ein verteilerbildendes Durchdringungsloch 42a, durch das das Oxidationsgas strömt, so ausgebildet, dass es mit den Lochabschnitten 45 der Kathodenplatte 41 in Verbindung ist. Zudem ist das verteilerbildende Durchdringungsloch 42b, durch das das Brennstoffgas strömt, so ausgebildet, dass es mit den (nicht gezeigten) Lochabschnitten der Anodenplatte 43 in Verbindung ist. Im Übrigen hat die Zwischenplatte 42 eine Vielzahl von Ausschnitten, die sich in der Richtung der langen Seiten der im Wesentlichen viereckigen Außengestalt der Zwischenplatte 42 erstrecken. Zwei Enden eines jeden Ausschnitts sind mit den Durchdringungslöchern in Verbindung, die die Verteiler bilden, durch die das Kühlwasser strömt.
Durch Stapeln und Zusammenfügen der wie vorstehend beschrieben aufgebauten drei Platten werden die Kanäle für die verschiedenen Fluide im Inneren des Separators 40 ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, passiert ein Teil des Oxidationsgases, das in dem Verteiler strömt, der durch Stapeln des Separators 40 und des Dichtungsrings 26 ausgebildet ist, über ein Inneres des Separators (einen Abschnitt der Zwischenplatte 42) und wird durch die Lochabschnitte 55 des Separators 40 in den Gaskanal 28 zugeführt. Dann strömt das Oxidationsgas, das durch die Reaktion verbraucht wurde, oder das Oxidationsgas, das durch die Reaktion nicht verbraucht wurde, durch den Gaskanal 28 von rechts nach links in der Zeichnung von 2 und strömt durch Löcher 56 über ein Inneres des Separators 40 in den Verteiler. Im Übrigen strömt auch in 1 das Oxidationsgas durch den Gaskanal 28 von rechts nach links, wie dies durch Pfeile gezeigt ist. Obwohl der Strom des Brennstoffgases nicht beschrieben ist, ist der Strom des Brennstoffgases im Wesentlichen gleich wie der Strom des Oxidationsgases. In 1 strömt das Brennstoffgas von vorne nach hinten durch den Gaskanal 29, wie dies durch Pfeile gezeigt ist.
Als Nächstes wird die Konstruktion der gaskanalbildenden Elemente beschrieben. Es werden gaskanalbildende Elemente beschrieben, die die Gaskanäle 28, 29 aufbauen. Da die gaskanalbildenden Elemente für den Gaskanal 28 des Oxidationsgases und den Gaskanal 29 des Brennstoffgases im Wesentlichen den gleichen Aufbau haben, wird ein gaskanalbildendes Element für den Gaskanal 28 des Oxidationsgases beschrieben.
3 ist eine Perspektivansicht, die ein gaskanalbildendes Element 30 dieses Ausführungsbeispiels zeigt. 4 ist eine Draufsicht des gaskanalbildenden Elements 30 und 5 ist eine Vorderansicht des gaskanalbildenden Elements 30. 6 ist eine Schnittansicht des gaskanalbildenden Elements 30 entlang der Ebene B-B aus 4. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt ist, ist der Grundaufbau des gaskanalbildenden Elements 30 ein gewellter Plattenabschnitt 32, in dem sich Gratabschnitte 32a und Wannenabschnitte 32b kontinuierlich abwechseln. Das gaskanalbildende Element 30 hat einen Aufbau, bei dem eine Vielzahl von gewellten Plattenabschnitte 32 miteinander verbunden sind. Die gewellten Plattenabschnitte 32 haben die gleiche Form und haben zudem die gleiche Breite W in der Querrichtung. Im Übrigen haben die Gratabschnitte 32a und die Wannenabschnitte 32b eine Form, bei der die Öffnung eine größere Größe als die Oberseite (Bodenseite) hat, das heißt, eine Form, in der die flankierenden Seiten bezüglich der senkrechten Richtung geneigt sind.
Gestrichelte Linien in 3 zeigen auf geeignete Weise die Trennung zwischen zwei benachbarten gewellten Plattenabschnitten 32. In 3 bis 5 beträgt die Anzahl der miteinander verbundenen gewellten Plattenabschnitte 32 sechs.
Die Verbindung einer Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten 32 ist folgendermaßen. Unter der Annahme, dass die Richtung der Amplitude der Gratabschnitte 32a und der Wannenabschnitte 32b die Richtung einer x-Achse ist und die Richtung der Ausdehnung der Gratabschnitte 32a und der Wannenabschnitte 32b die Richtung einer y-Achse ist (die senkrecht zu der Richtung der x-Achse verläuft), sind die gewellten Plattenabschnitte 32 sequentiell entlang der Richtung einer z-Achse miteinander verbunden, die senkrecht zu der Richtung der x-Achse und zu der Richtung der y-Achse verläuft. Die Verbindung zwischen den zwei benachbarten gewellten Plattenabschnitten 32 ist so gemacht, dass die Wannenabschnitte 32b eines der gewellten Plattenabschnitte 32 mit dem Gratabschnitt 32a des anderen gewellten Plattenabschnitts 32 verbunden ist. Genauer gesagt ist der vorstehend erwähnte eine gewellte Plattenabschnitt 32 eine Inverse des anderen gewellten Plattenabschnitts 32 ausgedrückt als Rückseite und Vorderseite, sodass die Wannenabschnitte 32b in Gratabschnitte 32a umgewandelt werden und die Gratabschnitte 32a in die Wannenabschnitte 32b umgewandelt werden. Dann werden die Wannenabschnitte 32b des einen gewellten Plattenabschnitts 32 mit den Gratabschnitten 32a des anderen verbunden.
Als ein Ergebnis der vorstehend erwähnten Verbindung befinden sich die zwei benachbarten gewellten Plattenabschnitte 32, 32, wenn man sie in einer Vorderansicht sieht, wie dies in 5 gezeigt ist, in einer Positionsbeziehung, in der sie voneinander um ein halbes Maß T der Gratabschnitte 32a und der Wannenabschnitte 32b in der Richtung der y-Achse und um die Amplitude H der Gratabschnitte 32a und der Wannenabschnitte 32b in der Richtung der x-Achse versetzt sind. Die Verbindungsabschnitte zwischen den Wannenabschnitten 32b eines gewellten Plattenabschnitts 32 und den Gratabschnitten 32a eines benachbarten gewellten Plattenabschnitts 32 bilden einzelne Ebenen (die im Weiteren als „die Verbindungsebenen” bezeichnet werden). Daher ist, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist, ein hexagonales Durchdringungsloch C zwischen einer Verbindungsebene S1 und einer benachbarten Verbindungsebene S2 ausgebildet, die durch den nächsten Wannenabschnitt 32b und den nächsten Gratabschnitt 32a ausgebildet ist. Die hexagonalen Durchdringungslöcher C sind in einem solchen Zickzackmuster angeordnet, dass sie eine sogenannte Bienenwabenstruktur bilden. Genauer gesagt ist die vorstehend erwähnte hexagonale Form ein gleichseitiges und gleichwinkliges Hexagon mit gleichen Seiten und gleichen Winkeln von 120°. Die Länge einer jeden Seite des Hexagons beträgt 0,26 mm. Die Breite w in der Querrichtung eines jeden gewellten Plattenabschnitts 32 beträgt 0,3 mm. Als eine Modifikation dieses Ausführungsbeispiels kann die hexagonale Form ein Hexagon sein, das sich von dem gleichseitigen und gleichwinkligen Hexagon unterscheidet.
In der in 3 bis 6 gezeigten Darstellung beträgt die Anzahl der Wiederholungen der Gratabschnitte 32a und der Wannenabschnitte 32b (die im Weiteren einfach als die „Berg-Tal-Häufigkeit” bezeichnet wird) drei und die Anzahl der gewellten Plattenabschnitte 32, die miteinander verbunden sind, beträgt 6. Daher ist die Anzahl der hexagonalen Durchdringungslöcher C, die ausgebildet wurden, 3 + 2 + 3 + 2 + 3 = 13, wie dies in 3 und 5 gezeigt ist. Im Übrigen hat das gaskanalbildende Element 30, was das gaskanalbildende Element 30 für den Gaskanal 28 des Oxidationsgases in diesem Ausführungsbeispiel angeht, tatsächlich einen Aufbau, in dem die Berg-Tal-Häufigkeit circa 350 beträgt und die Anzahl der miteinander verbundenen gewellten Plattenabschnitte 32 circa 250 beträgt und die Anzahl der hexagonalen Durchdringungslöcher C circa 87000 beträgt.
Als Nächstes wird beschrieben, wie die gaskanalbildenden Elemente angeordnet werden. Der Gaskanal 28, der aus dem gaskanalbildenden Element 30 wie vorstehend beschrieben konstruiert ist, wird zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 (der Kathodenseite der MEA 24) und dem Separator 40 (siehe 1 und 2) angeordnet. Als Nächstes wird die Art und Weise beschrieben, in der der Gaskanal 28 angeordnet wird.
Wie in 6 gezeigt ist, sind in den gaskanalbildenden Elementen 30, die wie vorstehend beschrieben konstruiert sind, die Verbindungsebenen S, die durch die Wannenabschnitte 32b und die Gratabschnitte 32a von benachbarten gewellten Plattenabschnitten 32 ausgebildet sind, in einer Richtung ausgerichtet. Die Richtung der Ausrichtung wird durch die Richtung einer Linie wiedergegeben, die die Mittelpunkte der Verbindungsebenen S verbindet und ist in 6 als die Richtung einer AX-Achse gezeigt. Da die gewellten Plattenabschnitte 32 die gleiche Breite W in der Querrichtung haben, liegen die Seiten L1 der Verbindungsebenen S in der Richtung der z-Achse (die linken Enden in der Zeichnung) an einer Ebene US, die parallel zu der AX-Achse verläuft (die im Weiteren als die obere Ebene US bezeichnet wird). Die entgegengesetzten Seiten L2 der Verbindungsebenen S (die rechten Enden in der Zeichnung) befinden sich an einer Ebene DS, die parallel zu der AX-Achse verläuft (die im Weiteren als die untere Ebene DS bezeichnet wird). Das heißt, die obere Ebene US und die untere Ebene DS sind parallel zueinander.
7 ist eine Schnittansicht des zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 angeordneten gaskanalbildenden Elements 30. Wie in 7 gezeigt ist, ist das gaskanalbildende Element 30 zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 so angeordnet, dass die obere Ebene US des gaskanalbildenden Elements 30 mit der kathodenseitigen Fläche der MEGA 25 in Kontakt ist, und die untere Ebene DS des gaskanalbildenden Elements 30 mit der Fläche des Separators 40 in Kontakt ist.
Mit anderen Worten ist das gaskanalbildende Element 30 zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 angeordnet (gestapelt), sodass die Richtung der oberen Ebene US und der unteren Ebene DS parallel zu der kathodenseitigen Fläche der MEGA 25 (oder der Oberfläche des Separators 40) verläuft. Da im Übrigen die obere Ebene US und die untere Ebene DS parallel zu der Richtung der AX-Achse verlaufen, welches die Richtung der Ausrichtung der Verbindungsebenen S ist, kann auch gesagt werden, dass das gaskanalbildende Element 30 derart zwischen der Kathodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 angeordnet ist, dass die Richtung der AX-Achse, die die Richtung der Ausrichtung der Verbindungsebenen S ist, parallel zu der kathodenseitigen Fläche der MEGA 25 (oder der Fläche des Separators 40) verläuft.
Im Übrigen ist in 7 die Richtung des Gesamtstroms des Oxidationsgases in dem Gaskanal 28 eine Richtung von rechts nach links, wie dies durch einen Pfeil R1 in der Zeichnung ähnlich wie in 2 gezeigt ist. Andererseits erstrecken sich die in dem gaskanalbildenden Element 30 ausgebildeten Verbindungsebenen S in einer solchen Richtung, dass sie die kathodenseitige Fläche der MEGA 25 schneiden. Die gerade Schnittlinie zwischen einer jeden Verbindungsebene S und der kathodenseitigen Oberfläche der MEGA 25 ist eine Richtung, die senkrecht zu der Richtung des Pfeils R1 verläuft. Genauer gesagt verlaufen die vorstehend erwähnten geraden Schnittlinien in einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene der Zeichnung verläuft. Die in dem gaskanalbildenden Element 30 ausgebildeten Verbindungsebenen S sind bezüglich der Richtung des Pfeils R um einen vorbestimmten Winkel θ (0° < θ < 90°) im Uhrzeigersinn um eine Achse geneigt, die sich in der Richtung der vorstehend erwähnten geraden Schnittlinien erstreckt. Mit anderen Worten sind die Verbindungsebenen S bezüglich der Gesamtströmungsrichtung R1 des Oxidationsgases in Richtung der Kathodenseite der MEGA 25 geneigt.
Der Wert des Winkels θ wird aus der H-Abmessung des gleichseitigen und gleichwinkligen Hexagons der Durchdringungslöcher C, die in dem gewellten Plattenabschnitt 32 ausgebildet sind (d. h., die Absenkstrecke einer oberen Klinge, nachdem die obere Klinge mit einem Blech in Kontakt gelangt ist, das in dem nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren geformt wird), und der Breite W in der Querrichtung des gewellten Plattenabschnitts 32 bestimmt und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel +37°.
In dem gaskanalbildenden Element 30 strömt das Oxidationsgas entlang der Oberflächen der Verbindungsebenen S in Richtung zu der kathodenseitigen Oberfläche der MEGA 25, wie dies durch dicke Pfeillinien gezeigt ist. Die Menge des Oxidationsgases, das die Kathodenseite der MEGA 25 erreicht hat, jedoch nicht durch die Reaktion verbraucht wurde, kehrt zu der Seite des Gaskanals 28 über die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 23a zurück und erreicht die nächste Verbindungsebene S und strömt entlang der Oberfläche der Verbindungsebene S in Richtung der kathodenseitigen Oberfläche der MEGA 25.
8 ist ein Schaubild, das den Gasstrom entlang der Oberflächen der Verbindungsebenen S in weiteren Einzelheiten zeigt. Wie in 8 gezeigt ist, ist der Gasstrom entlang der Oberfläche einer jeden Verbindungsebene S nicht nur ein Strom G1 in Richtung der kathodenseitigen Oberfläche der MEGA 25, sondern das Gas strömt zudem in den Richtungen G2, G3 in Richtung zu den zwei Wannenabschnitten 32b, die zu den Verbindungsebenen S benachbart sind. Daher wird dem Oxidationsgas ermöglicht, ebenso in Richtung der Wannenabschnitte 32b zu strömen, und der Strom in der Ebenenrichtung der Kathode der MEGA 25 wird nicht beeinträchtigt. Somit strömt das Oxidationsgas von rechts nach links in 7 als Gesamtheit, während es in 7 in Richtung der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht 23a nach oben diffundiert.
Als Nächstes wird das gaskanalbildende Element beschrieben, das für den Gaskanal 29 des Brennstoffgases verwendet wird. Das gaskanalbildende Element für den Gaskanal 29 des Brennstoffgases unterscheidet sich von dem gaskanalbildenden Element 30 für den Gaskanal 28 des Oxidationsgases lediglich in den längsgerichteten und quergerichteten Abmessungen, das heißt, der Berg-Tal-Häufigkeit der gewellten Plattenabschnitte 32 und der Anzahl der miteinander verbundenen gewellten Plattenabschnitte 32. Die Unterschiede in den längsgerichteten und quergerichteten Abmessungen sind den Unterschieden in den längsgerichteten und quergerichteten Abmessungen der MEGA 25 zuzuschreiben und die Grundkonstruktion des gaskanalbildenden Elements für den Gaskanal 29 ist gleich wie jene des gaskanalbildenden Elements 30 für den Gaskanal 28 des Oxidationsgases.
9 zeigt eine Schnittansicht des gaskanalbildenden Elements 30' für den Gaskanal 29 des Brennstoffgases, der zwischen der Anodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 angeordnet ist. Wie in 9 gezeigt ist, ist das gaskanalbildende Element 30' für den Gaskanal 29 ähnlich wie das gaskanalbildende Element 30 für den Gaskanal 28 des Oxidationsgases zwischen der Anodenseite der MEGA 25 und dem Separator 40 angeordnet, sodass die obere Ebene (oder die untere Ebene) des gaskanalbildenden Elements 30 mit der anodenseitigen Oberfläche der MEGA 25 in Kontakt ist, und die obere Ebene (oder die untere Ebene) des gaskanalbildenden Elements 30' mit der Oberfläche des Separators 40 in Kontakt ist.
In 9 ist die Gesamtströmungsrichtung in dem Gaskanal 29 eine Richtung von rechts nach links, wie dies durch einen Pfeil R2 gezeigt ist. Die Verbindungsebenen, die in dem gaskanalbildenden Element 30' ausgebildet sind, sind ähnlich wie jene an der Kathodenseite in Richtung zu der Elektrode (Anode) der MEGA 25 bezüglich der Gesamtströmungsrichtung R2 des Reaktionsgases (des Brennstoffgases) geneigt. Daher strömt das Brennstoffgas entlang der Oberflächen der Verbindungsebenen S in Richtung zu der anodenseitigen Oberfläche der MEGA 25, wie dies durch dicke Pfeillinien in 9 gezeigt ist. Die Menge des Brennstoffgases, das die Anodenseite der MEGA 25 erreicht hat, jedoch durch die Reaktion noch nicht verbraucht wurde, kehrt zu der Seite des Gaskanals 29 über die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 23b zurück und erreicht die nächste Verbindungsebene S und strömt entlang der Oberfläche der Verbindungsebene S in Richtung der anodenseitigen Oberfläche der MEGA 25. Außerdem wird dem Brennstoffgas, ähnlich wie an der in 8 gezeigten Seite des Gaskanals 28, ermöglicht, in Richtung der Wannenabschnitte 32b zu strömen, und der Gasstrom in einer Ebenenrichtung der Anode der MEGA 25 wird nicht beeinträchtigt. Somit strömt das Brennstoffgas von rechts nach links in 9 als Gesamtheit, während es in 9 abwärts in Richtung der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht 23b diffundiert.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das gaskanalbildende Element beschrieben. 10A bis 10F sind Schaubilder, die ein Herstellungsverfahren für das gaskanalbildende Element 30 zeigen. Wie in 10A gezeigt ist, wird ein Material M mittels Förderwalzen OR zuerst zu einer Schneidenform D gefördert, die aus einer oberen Schneide D1 und einer unteren Schneide D2 besteht. Das Material ist ein dünnwandiges Metallblech und genauer gesagt ein rostfreies Stahlblech (beispielsweise ein rostfreies Stahlblech auf Eisenoxidbasis), dessen Blechdicke circa 0,1 mm bis 0,2 mm beträgt. Anstelle des rostfreien Stahlblechs kann ein Titan- oder ein Titanlegierungsblech oder dergleichen verwendet werden.
11 ist eine Frontansicht der oberen Schneide D1. Wie in 11 gezeigt ist, sind Schneidenabschnitte D1c der oberen Schneide D1 in einer Form eines Grates ausgebildet, sodass sie sequentiell Ausschnitte in einer Zickzackanordnung in dem Material M bilden. Ein oberer Abschnitt der Form des Grates eines jeden Schneidenabschnitts D1c ist eben.
Unter Bezugnahme auf 10A bis 10F wird die obere Schneide D1 auf eine vorbestimmte Position abgesenkt und wird dann angehoben, wie dies in 10B gezeigt ist. Daraufhin wird das Material M durch die Förderwalzen OR um eine vorbestimmte Strecke gefördert. Diese vorbestimmte Strecke gleicht der Breite W in der Querrichtung der gewellten Plattenabschnitte 32. Daraufhin wird die obere Schneide D1 in einer Querrichtung bewegt, wie dies in 10D gezeigt ist. Die Strecke dieser Bewegung gleicht einem halben Maß T der Gratabschnitte 32a und der Wannenabschnitte 32b des gewellten Plattenabschnitts 32.
Daraufhin wird die obere Schneide D1 abgesenkt, wie dies in 10E gezeigt ist. Durch diesen Vorgang werden in dem Material M lineare Schnitte in einem Zickzackmuster ausgebildet und werden gestreckt, sodass abgestufte Maschen in dem Material M ausgebildet werden (siehe 10F). Daraufhin wird die obere Schneide D1, wie dies in 10F gezeigt ist, auf die Position zurückgestellt, die sie angenommen hatte, bevor sie, wie in 10D gezeigt, bewegt wurde, und dann werden die in 10A bis 10F gezeigten Vorgänge wiederholt ausgeführt.
Das vorgenannte Herstellungsverfahren ist dem Herstellungsverfahren für ein gestrecktes Metall ähnlich und unterscheidet sich davon hinsichtlich der folgenden Gesichtspunkte. Das gestreckte Metall ist ein in ein ebenes Blech gewalztes Metall. Das heißt, ein gestuftes Maschenmuster, das durch eine Technik hergestellt wurde, die ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Technik ist, wird einem Einebnungswalzvorgang unterworfen, sodass die Stegabschnitte (strand portions) und die Knotenpunktabschnitte (bond portions) in die selbe Ebene kommen. Andererseits benötigt das Herstellungsverfahren für das gaskanalbildende Element 30 gemäß diesem Ausführungsbeispiel den Einebnungsvorgang nicht, der die Einebnungswalzen verwendet. Ferner hat die zum Herstellen des Streckmetalls verwendete obere Schneide eine sägezahnartige Form, während die in diesem Ausführungsbeispiel verwendete obere Schneide D1 die Form von Graten mit ebener Oberkante hat. Da die ebenen Abschnitte vorgesehen sind, kann eine Ebene S als eine Verbindung zwischen den Gratabschnitten 32a und den Wannenabschnitten 32b ausgebildet werden.
Gemäß der vorstehend erwähnten Brennstoffbatterie 100 aus diesem Ausführungsbeispiel wird das Reaktionsgas über die durch die gaskanalbildenden Elemente 30 ausgebildeten Gaskanäle 28, 29 zu der MEGA 25 zugeführt. In jedem gaskanalbildenden Element 30 sind die Verbindungsebenen S durch die Verbindung zwischen den Gratabschnitten 32b und den Wannenabschnitten 32f einer Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten 32 ausgebildet und die Verbindungsebenen S bilden abgestufte Maschen. Jede Verbindungsebene S ist so aufgebaut, dass ihre Ebenenrichtung bezüglich der elektrodenseitigen Fläche der MEGA 25 um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist. Daher strömt das Reaktionsgas entlang der Oberfläche einer jeden Verbindungsebene S in Richtung der elektrodenseitigen Oberfläche der MEGA 25. Im Übrigen bewegt sich das Reaktionsgas zudem in Richtung der beiden flankierenden Wannenabschnitte 32b einer jeden Verbindungsebene S. Das heißt, dem Reaktionsgas wird ermöglicht, ebenso in Richtung der Wannenabschnitte 32b zu strömen, sodass der Gasstrom in einer Ebenenrichtung der Elektrode nicht beeinträchtigt ist. Da daher das Reaktionsgas zufriedenstellend in der senkrecht zur Ebene der Elektrode verlaufenden Richtung zusätzlich zu der Ebenenrichtung der Elektrode zugeführt werden kann, kann die Diffusionseffizienz des Reaktionsgases zufriedenstellend erhöht werden. Genauer gesagt wird es in diesem Ausführungsbeispiel möglich, das Reaktionsgas aktiv in die MEGA 25 einzubringen, da die Effizienz beim Zuführen des Reaktionsgases in Richtung der Ebene der Elektrode erhöht werden kann. Daher kann eine erhöhte Abgabe der Brennstoffbatterie 100 erreicht werden.
Ferner hat gemäß der Brennstoffbatterie 100 dieses Ausführungsbeispiels jedes gaskanalbildende Element 30 eine Konstruktion, in der die Richtung der Ausrichtung der Verbindungsebenen S parallel zu der Ebene der Elektrode verläuft, und in dem die gewellten Plattenabschnitte 32, die die Verbindungsebenen S bilden, die gleiche Form haben. Daher sind die Kanten der Verbindungsebene S an der einen Seite in einer Ebene enthalten und die Kanten der Verbindungsebenen S an der anderen Seite (der entgegengesetzten Seite) sind in einer anderen Ebene enthalten. Diese Konstruktion macht es möglich, die Kontaktbereiche zwischen den durch die gaskanalbildenden Elemente 30 konstruierten Gaskanälen 28, 29 und den Elektroden und zwischen den Gaskanälen 28, 29 und den Separatoren 40 zu erhöhen. Folglich kann der Kontaktwiderstand zwischen den gaskanalbildenden Elementen 30 und den MEGAs 25 verringert werden und daher kann eine verbesserte Leistung der Brennstoffbatterie 100 erreicht werden.
Da ferner in diesem Ausführungsbeispiel die dreischichtigen Separatoren 40 der gestapelten Bauweise verwendet werden, besteht kein Bedarf dazu, die Gaskanäle 28, 29 an den Separatoren 40 auszubilden, und die Strömungseffizienz der Reaktionsgase kann verbessert werden. Da der dreischichtige Separator 40 der gestapelten Bauweise ferner das Vorsehen der ebenen Fläche des Separators ermöglicht, können die Kontaktbereiche zwischen den Separatoren 40 und den gaskanalbildenden Elementen 30 vergrößert werden.
Gemäß der Brennstoffbatterie 100 dieses Ausführungsbeispiels ist das gaskanalbildende Element 30 ein Element, das durch Ausbilden linearer Schnitte in einem Zickzackmuster in einem Metallblech und durch gleichzeitiges Strecken der Schnitte hergestellt wird. Somit kann das gaskanalbildende Element 30 mittels eines einfachen Herstellungsverfahrens hergestellt werden, das heißt, die Herstellung des gaskanalbildenden Elements 30 ist einfach.
Weitere Ausführungsbeispiele werden nachstehend kurz beschrieben. Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf das vorgenannte Ausführungsbeispiel und dessen Modifikationen beschränkt, sondern kann zudem auf verschiedene Weisen ausgeführt werden, ohne von dem Kern der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise sind die folgenden Modifikationen möglich.
Eine erste Modifikation wird nun beschrieben. 12 zeigt eine Schnittansicht eines Gaskanals 128 und dessen Umgebung in einer Brennstoffbatterie 200 in Übereinstimmung mit der ersten Modifikation. Die erste Modifikation unterscheidet sich von dem vorherigen Ausführungsbeispiel lediglich in der Konstruktion des Gaskanals 128 und die anderen Konstruktionen der ersten Modifikation sind gleich wie jene des vorhergehenden Ausführungsbeispiels. Der Gaskanal 128 ist im Wesentlichen durch das gleiche gaskanalbildende Element 30 wie der Gaskanal 28 des vorherigen Ausführungsbeispiels ausgebildet, unterscheidet jedoch davon in der Art und Weise, wie das gaskanalbildende Element 30 angeordnet ist. Genauer gesagt ist das gaskanalbildende Element 30 der ersten Modifikation derart angeordnet, dass die obere Ebene US und die untere Ebene DS davon umgedreht sind, und zwar verglichen mit dem Gaskanal 28 der vorgenannten Ausführungsbeispiels. Das heißt, in der ersten Modifikation ist die untere Ebene DS des gaskanalbildenden Elements 30 mit der kathodenseitigen Oberfläche des MEGA 25 in Kontakt und die obere Ebene US des gaskanalbildenden Elements 30 ist mit der Oberfläche des Separators 40 in Kontakt. Als ein Ergebnis sind die in dem gaskanalbildenden Element 30 ausgebildeten Verbindungsebenen S in Gegenuhrzeigersinnrichtung von der Richtung des Pfeils R1 um einen vorbestimmten Winkel θ (0° < θ < 90°) um eine zu der Ebene der Zeichnung senkrechten Achse geneigt. Das heißt, die Verbindungsebenen S sind bezüglich der Gesamtströmungsrichtung R1 des Oxidationsgases in Richtung des Separators 40 geneigt.
In dem wie vorstehend beschrieben angeordneten gaskanalbildenden Element 30 strömt das Oxidationsgas entlang der Oberflächen der Verbindungsebenen S in Richtung der Oberfläche des Separators 40, wie dies durch dicke Pfeillinien in 12 gezeigt ist. Als ein Ergebnis wird der von der Elektrode der MEGA 25 weg gerichtete Strom des Oxidationsgases vergrößert. Daher kann unter Verwendung des Stroms des Oxidationsgases das Ablassen des Produktwassers von der Elektrode gefördert werden. Folglich kann die Verschlechterung der Spannungsstabilität infolge einer Flutung verhindert werden.
Gemäß der vorgenannten Brennstoffbatterie 200 der ersten Modifikation kann das Oxidationsgas ausreichend in der zur Ebenenrichtung der Elektrode senkrecht verlaufenden Richtung zusätzlich zu der Ebenenrichtung der Elektrode gefördert werden, wie in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel. Daher kann die Diffusionseffizienz des Oxidationsgases zufriedenstellend erhöht werden. Da insbesondere der von der Elektrode weg gerichtete Strom des Oxidationsgases erhöht werden kann, kann unter Verwendung des Stroms des Oxidationsgases die Abgabe des Produktwassers von der Elektrode weg gefördert werden.
Auch wenn die erste Modifikation auf den Gaskanal 28 an der Kathodenseite der MEGA 25 angewendet wird und der Gaskanal 29 an der Anodenseite so bleibt, wie er in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist es zudem zulässig, die erste Modifikation sowohl auf den kathodenseitigen Gaskanal 28 als auch auf den anodenseitigen Gaskanal 29 anzuwenden. Im Übrigen kann die erste Modifikation zudem lediglich auf den anodenseitigen Gaskanal 29 angewendet werden.
Als Nächstes wird eine zweite Modifikation beschrieben. 13 zeigt eine Perspektivansicht eines gaskanalbildenden Elements 230, das in einer Brennstoffbatterie gemäß der zweiten Modifikation vorgesehen ist. Obwohl in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Durchdringungslöcher C, die zwischen den Verbindungsebenen S in dem gaskanalbildenden Element 30 ausgebildet sind, in einer Draufsicht eine hexagonale Form haben, ist das gaskanalbildende Element 230 gemäß der zweiten Modifikation derart konstruiert, dass die Durchdringungslöcher in der in 13 gezeigten Draufsicht eine viereckige Form haben. Genauer gesagt haben die gewellten Plattenabschnitte 232, die das gaskanalbildende Element 230 bilden, zwischen den Gratabschnitten 232a und den Wannenabschnitten 232b kontinuierliche Wechsel bzw. Sprünge, in denen alle Winkelabschnitte einen rechten Winkel bilden. Auf diese Weise haben die Durchdringungslöcher des gaskanalbildenden Elements 230 eine viereckige Form.
Auch gemäß der Konstruktion der zweiten Modifikation können die Reaktionsgase zufriedenstellend in der zur Ebene der Elektrode senkrecht verlaufenden Richtung zusätzlich zu der Ebenenrichtung der Elektrode zugeführt werden und die Diffusionseffizienz des Reaktionsgases kann wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel zufriedenstellend erhöht werden.
Als Nächstes wird eine dritte Modifikation beschrieben. Obwohl in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel das gaskanalbildende Element 30 ein Element ist, das durch Ausbilden von linearen Schnitten in einem Zickzackmuster in einem Metallblech und durch gleichzeitiges Strecken der Schnitte hergestellt wird, kann das gaskanalbildende Element 30 auch hergestellt werden, indem individuelle gewellte Plattenabschnitte 32 als separate Elemente vorbereitet werden und diese separaten Elemente mittels Schweißen oder dergleichen verbunden werden.
Als Nächstes wird eine vierte Modifikation beschrieben. Auch wenn in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel der Separator 40 ein dreischichtiger Separator der gestapelten Bauweise ist, bei dem die Ausbildung von ebenen Flächen vereinfacht ist, ist es auch zulässig, ein anderes plattenförmiges Element bereitzustellen, dessen Oberflächen eben sind. Im Übrigen ist es insgesamt nicht erforderlich, dass der Separator 40 auf Separatoren beschränkt ist, dessen Oberflächen eben sind.
Als Nächstes wird eine fünfte Modifikation beschrieben. Auch wenn in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der kathodenseitige Gaskanal 28 und der anodenseitige Gaskanal 29 aus den gaskanalbildenden Elementen 30, 30' gebildet sind, die mit Ausnahmen ihrer Abmessungen im Wesentlichen die gleichen sind, ist es auch möglich, eine Konstruktion anzunehmen, bei der lediglich ein Kanal der Gaskanäle 28, 29 aus dem gaskanalbildenden Element 30 konstruiert ist. Genauer gesagt ist bei einer solchen Konstruktion lediglich ein Kanal von den Gaskanälen 28, 29 aus dem gaskanalbildenden Element 30 konstruiert und der andere Gaskanal ist aus einer anderen Bauweise von kanalbildenden Elementen konstruiert, etwa von einer Struktur, die einen porösen Körper oder dergleichen aufweist.
Eine sechste Modifikation wird nun beschrieben. Im Übrigen kann die Erfindung auf alle verschiedenen Arten von Brennstoffzellen oder Batterien angewendet werden, die sich von dem vorgenannten Ausführungsbeispiel und dessen Modifikationen unterscheiden. Beispielsweise ist die Erfindung zudem auf eine Brennstoffzelle der Direktmethanolbauweise anwendbar. Die Erfindung kann zudem auf eine Brennstoffzelle angewendet werden, die Elektrolytschichten hat, die aus einem Material gefertigt sind, das sich von dem Körperpolymer unterscheidet.
Zusammenfassung
Eine Brennstoffzelle hat ein gaskanalbildendes Element (30), das einen Kanal zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer Ebene einer Elektrode bildet. Ein Grundaufbau des gaskanalbildenden Elements (30) besteht aus einem gewellten Plattenabschnitt (32), in dem sich Gratabschnitte (32a) und Wannenabschnitte (32b) kontinuierlich miteinander abwechseln. In dem gaskanalbildenden Element (30) sind eine Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten (32) miteinander verbunden. Insbesondere sind zwei benachbarte gewellte Plattenabschnitte (32, 32) derart miteinander verbunden, dass die Wannenabschnitte (32b) von einem der zwei gewellten Plattenabschnitte mit den Gratabschnitten (32a) des anderen der gewellten Plattenabschnitte (32) verbunden sind. Das gaskanalbildende Element (30) ist derart angeordnet, dass die Richtung der Ausrichtung der durch die Verbindung der Gratabschnitte (32b) und der Wannenabschnitte (32a) ausgebildeten Verbindungsebenen S parallel zu der Ebene der Elektrode verläuft. Dieser Aufbau verbessert die Diffusionseffizienz des Reaktionsgases in dem Gaskanal.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-310633 A [0003]

Claims

Brennstoffzelle mit einer Elektrolytschicht, einer Elektrode, die mit einem Katalysator versehen ist, der an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, und einem gaskanalbildenden Element, das an einer Seite der Elektrode angeordnet ist und das einen Kanal zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer Ebene der Elektrode bildet, wobei die Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass das gaskanalbildende Element so aufgebaut ist, dass eine Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten, in denen sich jeweils Gratabschnitte und Wannenabschnitte kontinuierlich in einer ersten Richtung miteinander abwechseln, in einer zweiten Richtung, die die erste Richtung und eine Richtung einer Amplitude der Gratabschnitte und der Wannenabschnitte schneidet, miteinander verbunden sind, und dass zwei benachbarte gewellte Plattenabschnitte aus der Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten derart miteinander verbunden sind, dass die Wannenabschnitte von einem der zwei gewellten Plattenabschnitte mit den Gratabschnitten des anderen der gewellten Plattenabschnitte verbunden sind und dass durch die Verbindung zwischen den Wannenabschnitten und den Gratabschnitten ausgebildeten Verbindungsebene abgestufte Maschen bilden, und dass eine Ebenenrichtung eines jeden der gewellten Plattenabschnitte bezüglich der Ebene der Elektrode um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsebenen in dem gaskanalbildenden Element bezüglich einer Strömungsrichtung des Reaktionsgases in Richtung der Elektrode geneigt sind.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsebenen in dem gaskanalbildenden Element bezüglich einer Strömungsrichtung des Reaktionsgases von der Elektrode weg geneigt sind.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtung eine zu der ersten Richtung und zu der Richtung der Amplitude der Gratabschnitte und der Wannenabschnitte senkrecht verlaufende Richtung ist.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breiten in der Querrichtung der Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten in der zweiten Richtung gleich zueinander sind.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gaskanalbildende Element in einer solchen Richtung angeordnet ist, dass eine Richtung der Ausrichtung der Verbindungsebenen parallel zu der Ebene der Elektrode verläuft.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen eine hexagonale Form haben, wenn man sie in der zweiten Richtung betrachtet.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen eine viereckige Form haben, wenn man sie in der zweiten Richtung betrachtet.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gaskanalbildende Element ein Element ist, das durch Ausbilden von Schnitten in einem Zickzackmuster in einem Metallblech und durch Strecken der Schnitte hergestellt worden ist.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Separator aufweist, wobei das gaskanalbildende Element zwischen der Elektrode und dem Separator angeordnet ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator ein dreischichtiger Separator der gestapelten Bauweise ist, der durch Stapeln von drei elektrisch leitfähigen Platten ausgebildet ist, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes aufweist: eine Elektrolytschicht; eine Elektrode, die mit einem Katalysator versehen ist und die an der Elektrolytschicht ausgebildet ist; und ein gaskanalbildendes Element, das an einer Seite der Elektrode angeordnet ist und das einen Kanal zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer Ebene der Elektrode bildet, wobei das gaskanalbildende Element derart aufgebaut ist, dass eine Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten, in denen sich jeweils Gratabschnitte und Wannenabschnitte in einer ersten Richtung kontinuierlich miteinander abwechseln, in einer zweiten Richtung miteinander verbunden sind, die die erste Richtung und eine Richtung einer Amplitude der Gratabschnitte und der Wannenabschnitte schneidet, und dass zwei benachbarte gewellte Plattenabschnitte aus der Vielzahl von gewellten Plattenabschnitten derart miteinander verbunden sind, dass die Wannenabschnitte der einen von zwei gewellten Plattenabschnitten mit den Gratabschnitten der anderen der gewellten Plattenabschnitte verbunden sind, und Verbindungsebenen, die durch die Verbindung zwischen den Wannenabschnitten und den Gratabschnitten ausgebildet sind, abgestufte Maschen bilden, und wobei eine Ebenenrichtung eines jeden der gewellten Plattenabschnitte bezüglich einer Ebene der Elektrode um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist.