DE112009002206T5

DE112009002206T5 - Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE112009002206T5
Application number: DE112009002206T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kondo
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2012-07-26
Also published as: JP2010135268A; US20110159399A1; WO2010067635A1

Abstract

Eine Elektrolytmembran 16 ist im Inneren eines ersten und eines zweiten Rahmens 13 und 14 angeordnet. Die Elektrolytmembran 16 weist eine erste Fläche, auf die eine anodenseitige elektrokatalytische Schicht 17 gefügt ist, und eine zweite Fläche, auf die eine kathodenseitige elektrokatalytische Schicht 18 gefügt ist, auf. Die elektrokatalytische Schicht 17 weist eine Fläche auf, auf die ein anodenseitiger Gasströmungsweg-Bildungskörper 21, der einen Gasströmungsweg 21c zum Zuführen von Brennstoffgas aufweist, ist. Außerdem weist die elektrokatalytische Schicht 18 eine Fläche auf, auf die ein kathodenseitiger Gasströmungsweg-Bildungskörper 22, der einen Gasströmungsweg 22c zum Zuführen von Oxidationsgas aufweist, gefügt ist. Der erste und der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und 22 weisen Flächen auf, auf die ein erster bzw. ein zweiter Separator 23 und 24 gefügt ist. Zwischen dem ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und dem ersten Separator 23 ist eine erste Wasserleitschicht 25 angeordnet, und zwischen dem zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 und dem zweiten Separator 24 ist eine zweite Wasserleitschicht 26 angeordnet. Die erste und die zweite Wasserleitschicht 25, 26 absorbieren Wassertropfen W aus den Gasströmungswegen 21c und 22c des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 und 22 und lassen die Wassertropfen W nach außen ab.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie für ein Brennstoffbatteriesystem, das zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug oder dergleichen installiert ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Brennstoffbatterie weist im Allgemeinen einen Zellenstapel auf, der ein Stapel von Stromerzeugungszellen ist. Wie in 11 gezeigt weist eine Stromerzeugungszelle 12 zwei Rahmen 13 und 14, die übereinander angeordnet sind, und eine Elektrodenanordnung 15 auf, die an einem gekoppelten Abschnitt der Rahmen 13 und 14 angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung 15 weist eine Festelektrolytmembran (nachstehend als Elektrolytmembran bezeichnet) 16, eine anodenseitige elektrokatalytische Schicht 17 und eine kathodenseitige elektrokatalytische Schicht 18 auf. Die Elektrolytmembran 16 weist einen äußeren Rand zwischen den beiden Rahmen 13 und 14 auf. Die Elektrolytmembran 16 weist eine obere Fläche auf, auf der die elektrokatalytische Schicht 17 angeordnet ist. Ferner weist die Elektrolytmembran 16 eine untere Fläche auf, auf der die elektrokatalytische Schicht 18 angeordnet ist. Die elektrokatalytische Schicht 17 weist eine obere Fläche auf, auf die eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 19 angeordnet ist. Die elektrokatalytische Schicht 18 weist eine untere Fläche auf, auf die eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 20 angeordnet ist. Die Gasdiffusionsschicht 19 weist eine obere Fläche auf, auf die ein anodenseitiger erster Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 angeordnet ist. Ferner weist die Gasdiffusionsschicht 20 eine untere Fläche auf, auf die ein kathodenseitiger zweiter Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 angeordnet ist. Der erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 weist eine obere Fläche auf, die an einen flachen ersten Separator 23 gebunden ist. Der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 weist eine untere Fläche auf, die an einen flachen zweiten Separator 24 gebunden ist.
Wie in 12 gezeigt sind der erste und der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und 22 durch Metallleisten gebildet, in denen mehrere sechseckige Ringe 21a (22a) zickzackförmig angeordnet sind. Im ersten und im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und 22 strömt Brennstoffgas (Oxidationsgas) durch Gasströmungswege 21c (22c), die durch die Ringe 21a (22a) und ihre Hohlräume 21b (22b) gebildet sind und sich auf eine komplexe Weise winden. 12 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) zeigt.
Wie in 11 gezeigt sind im ersten und im zweiten Rahmen 13 und 14 ein Zufuhrdurchgang G1 und ein Auslassdurchgang G2 gebildet. Wasserstoffgas, das als das Brennstoffgas dient, wird durch den Zufuhrdurchgang G1 dem Gasströmungsweg 21c des anodenseitigen ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 zugeführt. Das Brennstoffabgas, das durch den Gasströmungsweg 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 verlaufen ist, wird aus dem Ablassdurchgang G2 abgelassen. Ferner wird Luft, die als Oxidationsgas dient, durch einen Zufuhrdurchgang (nicht gezeigt, an der Rückseite der Ebene von 11 befindlich) des ersten und des zweiten Rahmens 13 und 14 dem einem Gasströmungsweg des kathodenseitigen Gasströmungsweg-Bildungskörpers 22 zugeführt. Das Oxidationsabgas, das durch den Gasströmungsweg verlaufen ist, wird aus einem Ablassdurchgang (nicht gezeigt, an der Vorderseite der Ebene von 11 befindlich) abgelassen.
Wie durch den Pfeil P in 11 gezeigt wird Wasserstoffgas von einer Wasserstoffgasversorgungsquelle (nicht gezeigt) durch einen Zufuhrdurchgang G1 dem ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 zugeführt. Ferner wird Luft von einer Luftversorgungsquelle (nicht gezeigt) dem zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 zugeführt. Dies verursacht eine elektrochemische Reaktion in der Stromerzeugungszelle und erzeugt Strom. Während der Stromerzeugung befeuchtet ein Befeuchter das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas. Dadurch enthalten das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas Befeuchtungswasser (Wasserdampf). Ferner erzeugt die Stromerzeugung Bildungswasser in der kathodenseitigen elektrokatalytischen Schicht 18, in der Gasdiffusionsschicht 20 und im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22. Das Bildungswasser und das Befeuchtungswasser kondensieren und bilden Wassertropfen W, die durch das Oxidationsabgas, das durch den Gasströmungsweg 22c des Gasströmungsweg Bildungskörpers 22 strömt, aus dem Ablassdurchgang G2 abgelassen werden. Etwas des Bildungswassers dringt als Permeationswasser durch die Elektrolytmembran 16 und dringt in die anodenseitige elektrokatalytische Schicht 17, die Gasdiffusionsschicht 19 und den Gasströmungsweg 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 ein. Das Permeationswasser und das Befeuchtungswasser kondensieren und bilden Wassertropfen W, die durch das Brennstoffabgas, das durch den Gasströmungsweg 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 strömt, aus dem Ablassdurchgang G2 abgelassen werden. Das Patentdokument 1 offenbart eine Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie, die dem in 11 gezeigten Aufbau ähnlich ist.
Wie in 12 gezeigt ist der anodenseitige erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 durch eine Metallleiste gebildet, in der die sechseckigen Ringe 21a zickzackförmig angeordnet sind. Im ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 strömt Brennstoffgas durch den Gasströmungsweg 21c, der durch die Ringe 21a und die Hohlräume 21b gebildet ist und sich auf eine komplexe Weise windet. Daher können Wassertropfen W im Gasströmungsweg 21c zurückbleiben, ohne aus dem Gasströmungsweg 21c im Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 abgelassen zu werden. Wenn Wassertropfen W auf diese Weise in den Gasströmungswegen 21c und 22c des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 und 22 zurückbleiben, verschlechtern die Wassertropfen W die Elektrolytmembran 16 in der Elektrodenanordnung 15. Als Ergebnis kann die Dicke der Elektrolytmembran 16 verringert werden und kann die Haltbarkeit der Stromerzeugungszelle verkürzt werden. Wenn die Restwassertropfen W an der anodenseitigen elektrokatalytischen Schicht 17 ein abnormales (übermäßiges) Potential erzeugen, wird außerdem Platin (der Katalysator) in der kathodenseitigen elektrokatalytischen Schicht 18 ionisiert. Als Ergebnis kann Platin (der Katalysator) aus der elektrokatalytischen Schicht 18 freigegeben werden und kann die Haltbarkeit der Stromerzeugungszelle verkürzt werden.
Verunreinigungen, die in den Wassertropfen W enthalten sind, wie etwa Silizium (Si) können sich als Wasserflecken an den die Gasdiffusionsschichten 19 und 20 bildenden Fasern wie etwa Kohlenstofffasern sammeln. Als Ergebnis kann die Gasdiffusionswirkung der Gasdiffusionsschichten 19 und 20 verringert werden und kann die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit verringert werden.
Wenn die Brennstoffbatterie unter einer hohen Belastung betrieben wird, können die Wassertropfen W möglicherweise nicht ausreichend aus dem Gasströmungsdurchgang 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 abgelassen werden. In einem solchen Fall wird das Brennstoffgas, das zur Elektrodenanordnung 15 geliefert wird, ungleichmäßig und bewegen sich die Wassertropfen W, die die Stromerzeugung behindern, auf eine unregelmäßige Weise. Dies kann die erzeugte Stromspannung verändern, ein Überlaufen verursachen und die Spannungsstabilität verringern.
Ferner können die Restwassertropfen W in den Gasströmungswegen 21c und 22c des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 und 22 den Druckverlust des Brennstoffgases und des Oxidationsgases erhöhen. Als Ergebnis kann der Verlust in einer Gasversorgungsvorrichtung wie etwa einem Kompressor erhöht werden und kann die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit der Brennstoffbatterie verringert werden.
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-87768 .
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie bereitzustellen, die die Haltbarkeit, die Spannungsstabilität und die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit verbessert.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, stellt ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie bereit, die aufweist: eine Elektrolytmembran, welche im Inneren eines Schleifenrahmens angeordnet ist, eine anodenseitige elektrokatalytische Schicht, die auf eine erste Fläche der elektrokatalytischen Schicht gefügt ist, eine kathodenseitige elektrokatalytische Schicht, die auf eine zweite Fläche der Elektrolytmembran gefügt ist, einen anodenseitigen Gasströmungs-Bildungskörper, der auf eine Fläche der anodenseitigen elektrokatalytischen Schicht gefügt ist und einen Gasströmungsweg aufweist, welcher Brennstoffgas zuführt, einen kathodenseitigen Gasströmungsweg-Bildungskörper, der auf eine Fläche der kathodenseitigen elektrokatalytischen Schicht gefügt ist und einen Gasströmungsweg aufweist, der Oxidationsgas zuführt, und einen Separator, der auf eine Fläche jedes Gasströmungsweg-Bildungskörpers gefügt ist. In der Stromerzeugungszelle ist zwischen jedem Gasströmungsweg-Bildungskörper und dem entsprechenden Separator eine Wasserleitschicht angeordnet, die einen kapillarförmigen Wasserdurchgang aufweist. Der Wasserdurchgang der Wasserleitschicht absorbiert Wasser, das durch eine Stromerzeugungstätigkeit der Brennstoffzelle im Gasströmungsweg jedes Gasströmungsweg-Bildungskörpers erzeugt wird. Ferner drängt ein Gasstrom im Gasströmungsweg das Wasser im Wasserdurchgang zu einer stromabwärts befindlichen Seite des Gasstroms.
Wenn Bildungswasser, das durch die Stromerzeugungstätigkeit der Stromerzeugungszelle erzeugt wird, und Befeuchtungswasser, das durch einen Befeuchter zugeführt wird, kondensieren und Wassertropfen bilden, die sich an der Wandfläche des Gasströmungsdurchgangs im Gasströmungsdurchgang-Bildungskörper sammeln, werden die Wassertropfen bei diesem Aufbau durch den kapillarförmigen Wasserdurchgang der Wasserleitschicht absorbiert. Das durch den Wasserdurchgang der Wasserleitschicht absorbierte Wasser wird durch das Brennstoffgas oder das Oxidationsgas, das durch den Gasströmungsweg strömt, zur stromabwärts befindlichen Seite des Gasstroms gedrängt. Als Ergebnis werden Wassertropfen aus dem Gasströmungsweg des Gasströmungsweg-Bildungskörpers beseitigt und wird eine Verschlechterung der Elektrodenanordnung verhindert. Ferner werden das Brennstoffgas und das Oxidationsgas gleichmäßig der Elektrodenanordnung zugeführt. Dadurch führt die Stromerzeugungszelle die Stromerzeugung richtig durch.
Bei der obigen Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie wird bevorzugt, dass die Wasserführungsschicht aus einem leitenden Material gebildet ist.
Bei der obigen Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie wird bevorzugt, dass die Gasströmungsweg-Bildungskörper jeweils durch eine Metallleiste gebildet sind, die mehrere Ringe mit Hohlräumen aufweist, und dass die Gasströmungsweg-Bildungskörper und die Wasserleitschichten aneinander gebunden sind, indem sie in einem übereinanderliegenden Zustand in ihrer Dickenrichtung gepresst sind, so dass Ränder der Ringe in der Wasserleitschicht gefangen sind.
Bei der obigen Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie wird bevorzugt, dass die Wasserleitschicht über die gesamte Fläche des Gasströmungsweg-Bildungskörpers hinweg angeordnet ist.
Bei der obigen Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie wird bevorzugt, dass die Wasserleitschicht eine Verlängerung aufweist, die sich zu einer stromabwärts befindlichen Seite des Gasströmungswegs erstreckt, und dass sich die Verlängerung in einem Ablassdurchgang des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases, der im Rahmen gebildet ist, befindet.
Bei der obigen Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie wird bevorzugt, dass die Verlängerung und eine Elektrodenanordnung, die die Elektrolytmembran enthält, durch eine Wärmeübertragungsplatte miteinander verbunden sind.
Bei der obigen Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie wird bevorzugt, dass die Wasserleitschicht unter Verwendung zumindest eines Materials gebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem aus Metallfasern hergestellten Gewebe oder Vliesstoff, einem porösen Metallkörper, einem porösen Körper, der aus Harz hergestellt ist und einem leitenden Beschichtungsprozess unterzogen wurde, einem porösen Körper, der aus einer leitenden Keramik hergestellt ist, und einem porösen Körper, der aus Kohlenstoff hergestellt ist und hydrophile Eigenschaften aufweist, besteht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittansicht, die eine Brennstoffbatterie nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittansicht, die eine Stromerzeugungszelle der Brennstoffbatterie zeigt;
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Stromerzeugungszelle;
4 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Gasströmungsweg-Bildungskörpers;
5 ist ein schematisches Diagramm, das die Tätigkeit zum Verbinden des Gasströmungsweg-Bildungskörpers und einer Wasserleitschicht zeigt;
6 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die eine Anodenseite der Brennstoffbatterie zeigt;
7 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die eine Kathodenseite der Brennstoffbatterie zeigt;
8 ist eine teilweise Querschnittansicht, die eine Stromerzeugungszelle in einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine teilweise Schnittansicht, die eine Stromerzeugungszelle in einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine Draufsicht, die einen Gasströmungsweg-Bildungskörper in einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine Querschnittansicht, die eine Stromerzeugungszelle einer Brennstoffbatterie des Stands der Technik zeigt; und
12 ist eine teilweise perspektivische Ansicht, die einen Gasströmungsweg-Bildungskörper zeigt, der in der Stromerzeugungszelle von 11 verwendet wird.
DIE BESTE WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 wird nun eine Brennstoffbatterie nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Wie in 1 und 3 gezeigt ist ein Festpolymerbrennstoffbatteriestapel 11 durch Stapeln mehrerer Stromerzeugungszellen 12 gebildet.
Wie in 1 gezeigt ist eine Stromerzeugungszelle 12 so ausgeführt, dass sie die Form eines quadratischen Rahmens aufweist. Die Stromerzeugungszelle 12 weist einen ersten und einen zweiten Rahmen 13 und 14 auf, die aus einem Synthesekautschuk (oder einem Kunstharz) gebildet sind, und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 15, die als Elektrodenanordnung dient, welche zwischen den beiden Rahmen 13 und 14 angeordnet ist. Der erste und der zweite Rahmen 13 und 14 weisen eine Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 und eine Oxidationsgas-Durchgangsöffnung S2 auf. Ferner weist die Stromerzeugungszelle 12 einen ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21, der in der Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 untergebracht ist, und einen zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 auf, der in der Oxidationsgas-Durchgangsöffnung S2 untergebracht ist. Der erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 ist aus einem ferrtischen Edelstahl (SUS), der leitend ist, gebildet. Der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 ist aus Titan oder Gold, die leitend sind, gebildet. Ferner weist die Stromerzeugungszelle 12 einen ersten Separator 23 auf, der an einer oberen Fläche des ersten Rahmens 13 befestigt ist, und einen zweiten Separator 24, der an einer unteren Fläche des zweiten Rahmens 14 befestigt ist. Der erste und der zweite Separator 23 und 24 sind jeweils aus Titan, das leitend ist, gebildet und weisen die Form einer flachen Platte auf. Eine erste Wasserleitschicht 25 ist zwischen einer oberen Fläche des ersten Gasströmungsweg-Bildungsdurchgangs 21 und einer unteren Fläche des ersten Separators 23 angeordnet. Ferner ist eine zweite Wasserleitschicht 26 zwischen einer unteren Fläche des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 22 und einer oberen Fläche des zweiten Separators 24 angeordnet. 3 zeigt den ersten und den zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und 22 und die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 und 26 auf eine vereinfachte Weise als flache Platten.
Wie in 1 und 2 gezeigt weist die MEA 15 eine Elektrolytmembran 16, elektrokatalytische Schichten 17 und 18 und leitende Gasdiffusionsschichten 19 und 20 auf. Die elektrokatalytische Schicht 17 ist eine anodenseitige elektrokatalytische Schicht, und ist durch Aufbringen eines vorherbestimmten Katalysators auf eine obere Fläche (erste Fläche) der Elektrolytmembran 16 gebildet. Die elektrokatalytische Schicht 18 ist eine kathodenseitige elektrokatalytische Schicht, und ist durch Aufbringen eines vorherbestimmten Katalysators auf eine untere Fläche (zweite Fläche) der Elektrolytmembran 16 gebildet. Die Gasdiffusionsschichten 19 und 20 sind jeweils an den Oberflächen der elektrokatalytischen Schichten 17 und 18 befestigt.
Die Elektrolytmembran 16 ist durch eine Fluorpolymermembran gebildet. Die elektrokatalytischen Schichten 17 und 18 sind durch Auflegen von Kohlenstoff mit einem Korndurchmesser von einigen Mikrometern auf die Oberfläche eines Katalysators gebildet. Um die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit der Brennstoffbatterie zu verbessern, werden für den Katalysator zum Beispiel Körner von Platin (Pt) mit einem Korndurchmesser von 2 nm verwendet. Die Gasdiffusionsschichten 19 und 20 sind aus leitendem Kohlenstoffpapier gebildet. Wie in 4 gezeigt sind der erste und der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) aus Metallleisten gebildet, in denen mehrere sechseckige Ringe 21a (22a) zickzackförmig angeordnet sind. Im ersten und im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) strömt Brennstoffgas (Oxidationsgas) durch Gasströmungswege 21c (22c), die durch die Ringe 21a (22a) und ihre Hohlräume 21b (22b) gebildet sind. 4 zeigt nur einen Teil des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22).
Wie in 3 gezeigt weist die Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 des ersten Rahmens 13 von oben her gesehen eine tetragonale Form auf. Ein Gaseinlass 13a und ein Gasauslass 13b, die längliche Öffnungen sind, sind entlang von zwei parallelen Seiten des ersten Rahmens 13 gebildet. Ein Gaseinlass 14a und ein Gasauslass 14b sind entlang von zwei parallelen Seiten des zweiten Rahmens 14 gebildet. Der Gaseinlass 14a und der Gasauslass 14b sind jeweils an Positionen gebildet, die nicht mit dem Gaseinlass 13a und dem Gasauslass 13b des ersten Rahmens 13 übereinstimmen. Gaseinlässe 23a und Gasauslässe 23b sind entlang von zwei parallelen Seiten des ersten Separators 23 gebildet. Gaseinlässe 24a und Gasauslässe 24b sind entlang von zwei parallelen Seiten des zweiten Separators 24 gebildet.
Wie in 1 gezeigt steht der erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 in der Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 des ersten Rahmens 13 mit der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 19 und der Innenfläche der ersten Wasserleitschicht 25 in Kontakt. In der Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S2 des zweiten Rahmens 14 steht der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 mit der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 20 und der Innenfläche der zweiten Wasserleitschicht 26 in Kontakt.
Der erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 umschließt Brennstoffgas, das von einem in 1 gezeigten Zufuhrdurchgang G1, das heißt, dem ersten Gaseinlass 23a des ersten Separators 23, in die Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 gezogen wird, so dass das Brennstoffgas zu einem Ablassdurchgang G2, oder dem ersten Gasauslass 23b des ersten Separators 23, zum Gasauslass 14b des zweiten Rahmens 14, und zum ersten Gasauslass 24b des zweiten Separators 24 strömt. Der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 umschließt Oxidationsmittelgas, das durch den Gaseinlass 13a von einem in 2 gezeigten Zufuhrdurchgang G3, oder dem zweiten Gaseinlass 23a des ersten Separators 23, in die Oxidationsgas-Durchgangsöffnung S2 des zweiten Rahmens 14, gezogen wird, so dass das Oxidationsgas durch den Gasauslass 13b des ersten Rahmens 13 zu einem Ablassdurchgang G4, oder dem zweiten Gasauslass 23b, und auch zum zweiten Gasauslass 24b des zweiten Separators 24 strömt.
Wie in 1 gezeigt stehen der Zufuhrdurchgang G1 und der Ablassdurchgang G2 durch den Gasströmungsweg 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 zwischen den gestapelten Stromerzeugungszellen 12 des Brennstoffbatteriestapels 11 in Verbindung, um einen Brennstoffgas(Wasserstoffgas)umlaufweg zu bilden. Ferner stehen der Zufuhrdurchgang G3 und der Ablassdurchgang G4 durch den Gasströmungsweg 22c des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 22 zwischen den Stromerzeugungszellen 12 in Verbindung, um einen Oxidationsgas(Luft)umlaufweg zu bilden. Aufgrund des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 strömt das Brennstoffgas, das der Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 zugeführt wird, in einem gleichmäßig diffundierten Zustand in die Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1. In der Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 erzeugt das Brennstoffgas eine Verwirbelung, wenn es durch den Gasströmungsweg 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 verläuft. Dies diffundiert das Brennstoffgas in der Brennstoffgas-Durchgangsöffnung S1 gleichmäßig. Das Brennstoffgas wird diffundiert, wenn es durch die Gasdiffusionsschicht 19 verläuft, und gleichmäßig zur elektrokatalytischen Schicht 17 geliefert. Ferner kommt es in der Elektrodenanordnung 15 zu einer Elektrodenreaktion, wenn Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt werden. Dies erzeugt Strom. Die gewünschte Ausgangsleistung wird durch Stapeln von mehreren Stromerzeugungszellen 12 erhalten.
Nun wird der Hauptaufbau dieser Ausführungsform beschrieben werden.
Wie in 1 gezeigt ist die erste Wasserleitschicht 25 über den ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 hinweg zwischen dem anodenseitigen ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und dem ersten Separator 23 angeordnet. Die erste Wasserleitschicht 25 ist aus einem Vliesstoff, der aus elastisch verformbaren Fasern aus Metall wie etwa Edelstahl, Kupfer, Silber und Gold hergestellt ist, gebildet. Vorzugsweise sind der erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und die erste Wasserleitschicht 25 aus dem gleichen Material gebildet, um eine Korrosion, die durch einen Kontakt zwischen unterschiedlichen Arten von Metall verursacht wird, zu verhindern. Die zweite Wasserleitschicht 26 ist über den zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 hinweg zwischen dem kathodenseitigen zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 und dem zweiten Separator 24 angeordnet. Genauso wie die erste Wasserleitschicht 25 ist die zweite Leitschicht durch einen Vliesstoff aus Metallfasern gebildet. Auf diese Weise sind die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 und 26 jeweils aus einem aus Metall bestehenden Vliesstoff gebildet. Wasserdurchgänge 25a und 26a, die in der Form von Kapillaren (porös) ausgeführt sind, sind auf der ersten und der zweiten Wasserleitschicht 25 und 26 gebildet. Die Wasserdurchgänge 25a weisen eine Durchgangsfläche auf, die kleiner als jene der Hohlräume 21b des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 ist. Die Wasserdurchgänge 26a weisen eine Durchgangsfläche auf, die kleiner als jene der Hohlräume 22b des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 22 ist. Daher werden die Wassertropfen W, die sich an der Wandfläche des Gasströmungswegs 21c im ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 sammeln, durch den Wasserdurchgang 25a der ersten Wasserleitschicht 25 absorbiert. Ferner werden die Wassertropfen W, die sich an der Wandfläche des Gasströmungswegs 22c im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 sammeln, durch den Wasserdurchgang 26a der zweiten Wasserleitschicht 26 absorbiert.
Wie in 5 gezeigt drehen Motoren (nicht gezeigt) Bindewalzen 31 und 32 in die durch die Pfeile angegebenen Richtungen. Die Bindewalzen 31 und 32 pressen den ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und die erste Wasserleitschicht 25 für die obere und die untere Richtung mit einem vorherbestimmten Druck. Wie in 1 gezeigt führt das Pressen mit den Bindewalzen 31 und 32 dazu, dass die Ränder der Ringe 21a im ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 in der ersten Wasserleitschicht 25 gefangen werden. Dies verbindet den ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und die erste Wasserleitschicht 25 miteinander. Die Bindetätigkeit mit den Bindewalzen 31 und 32 wird auch am zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 und an der zweiten Wasserleitschicht 26 durchgeführt. Wie in 2 gezeigt führt dies dazu, dass die Ränder der Ringe 22a im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 in der zweiten Wasserleitschicht 26 gefangen werden, wodurch der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 und die zweite Wasserleitschicht 26 miteinander verbunden werden.
Wie in 1 gezeigt pressen die Ringe 21a des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 einen Teil der anodenseitigen ersten Wasserleitschicht 25 zum ersten Separator 23. Dies schließt den zusammengepressten ersten Wasserdurchgang 25a im Wesentlichen. Doch wie in 4 gezeigt umfasst der erste Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 den Gasströmungsweg 21c, der sich auf eine komplexe Weise windet. Dadurch schließt sich der Wasserdurchgang 25a in der ersten Wasserleitschicht 25, der dem Gasströmungsweg 21c entspricht, wie in 6 gezeigt in der anodenseitigen ersten Wasserleitschicht 25 nicht. Dies hält die Wasserdurchgangsfunktion des Wasserdurchgangs 25a aufrecht. Wie in 7 gezeigt schließt sich der Wasserdurchgang 26a in der zweiten Wasserleitschicht 26, der dem Gasströmungsweg 22c entspricht, in der kathodenseitigen zweiten Wasserleitschicht 26 nicht. Dies hält die Wasserdurchgangsfunktion des Wasserdurchgangs 26a aufrecht. 6 und 7 zeigen jeweils die Querschnitte eines einzelnen der Gasströmungswege 21c und 22c auf eine vereinfachte Weise.
Nun wird der Betrieb der Brennstoffbatterie beschrieben werden.
Wenn die Brennstoffbatterie Strom erzeugt, wird wie im Abschnitt, der den allgemeinen Stand der Technik betrifft, beschrieben an der Kathodenseite der Elektrodenanordnung Bildungswasser erzeugt und an der Anodenseite Permeationswasser erzeugt. Außerdem erzeugt ein Befeuchter Befeuchtungswasser im Brennstoffgas, das zum Gasströmungsweg 21c im ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 geführt wird. Wie in 6 gezeigt kondensieren das Permeationswasser und das Befeuchtungswasser im Gasströmungsweg 21c des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 zu Wassertropfen W. Wenn die Wassertropfen W durch die Oberflächenspannung mit der ersten Wasserleitschicht 25 in Kontakt gelangen, bewirkt die Kapillarwirkung, dass die Wassertropfen W in den Wasserdurchgang 25a der ersten Wasserleitschicht 25 eindringen. Dies beseitigt die Wassertropfen W aus dem Gasströmungsweg 21c. Das in den Wasserdurchgang 25a der ersten Wasserleitschicht 25 gezogene Wasser wird durch den Druck des Brennstoffgases, das durch den Gasströmungsweg 21c strömt, allmählich zur stromabwärts befindlichen Seite des Gasstroms gedrängt und in den Ablassdurchgang G2 für Brennstoffabgas abgelassen.
Wenn die Brennstoffbatterie Strom erzeugt, wird an der Kathodenseite Bildungswasser erzeugt. Außerdem erzeugt der Befeuchter auch Befeuchtungswasser im Oxidationsgas, das dem Gasströmungsweg 22c im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 zugeführt wird. Wie in 7 gezeigt dringen das Bildungswasser und das Befeuchtungswasser in den Gasströmungsweg 22c des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 22 ein und kondensieren zu Wassertropfen W. Wenn die Wassertropfen W durch die Oberflächenspannung mit der zweiten Wasserleitschicht 26 in Kontakt gelangen, bewirkt die Kapillarwirkung, dass die Wassertropfen W in den Wasserdurchgang 26a der zweiten Wasserleitschicht 26 eindringen. Dies beseitigt die Wassertropfen W aus dem Gasströmungsweg 22c. Das Wasser, das in die zweite Wasserleitschicht 26 eindringt, wird durch den Druck des Oxidationsgases, das durch den Gasströmungsweg 22c strömt, allmählich zur stromabwärts befindlichen Seite des Gasstroms gedrängt und zum Ablassdurchgang G4 für das Oxidationsabgas gesendet.
Die Brennstoffbatterie der oben besprochenen Ausführungsform weist die nachstehend beschriebenen Vorteile auf.

(1) Die erste Wasserleitschicht 25 ist zwischen dem ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 und dem ersten Separator 23 angeordnet, und die zweite Wasserleitschicht 26 ist zwischen dem zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 22 und dem zweiten Separator 24 angeordnet. Wenn die Brennstoffbatterie Strom erzeugt, werden die Wassertropfen W, die in den Gasströmungswegen 21c (22c) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) kondensiert sind, daher durch die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) abgelassen. Als Ergebnis werden die Wassertropfen W aus den Gasströmungswegen 21c (22c) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) beseitigt. Dies verhindert eine Verschlechterung der Elektrodenanordnung 15 und der Gasdiffusionsschichten 19 (20) und verbessert die Haltbarkeit der Stromerzeugungszelle 12.
(2) In den Gasströmungswegen 21c (22c) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) befinden sich keine Restwassertropfen W. Daher wird das Brennstoffgas (das Oxidationsgas) gleichmäßig vom Gasströmungsweg 21c (22c) den Gasdiffusionsschichten 19 (20) zugeführt. Dies führt zu richtigen Zellenreaktionen. Daher wird die Stromerzeugungsspannung stabilisiert und die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit verbessert.
(3) In den Gasströmungswegen 21c (22c) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) bleiben keine Wassertropfen W zurück. Daher strömt das Brennstoffgas (das Oxidationsgas) gleichmäßig durch die Gasströmungswege 21c (22c). Dies verringert den Druckverlust des Brennstoffgases (des Oxidationsgases) in den Gasströmungswegen 21c (22c). Als Ergebnis kann die Brennstoffbatterie mit einem niedrigeren Gaszufuhrdruck betrieben werden. Dies gestattet eine Verringerung der Größe einer Gaszufuhrvorrichtung wie etwa eines Kompressors und verbessert die Wärmeerzeugungsleistungsfähigkeit.
(4) Die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) sind aus einem leitenden Material gebildet. Daher verbinden die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) den ersten und den zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) trotz des Umstands, dass die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) zwischen dem leitenden ersten bzw. zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) und dem leitenden ersten bzw. zweiten Separator 23 (24) gehalten werden, wobei sich der erste und der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) in einem Nichtkontaktzustand mit dem ersten bzw. dem zweiten Separator 23 (24) befinden, elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Separator 23 (24). Das heißt, die Ränder der Ringe 21a (22a) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) können elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Separator 23 (24) verbunden werden. Daher besteht keine Notwendigkeit, in der ersten und in der zweiten Wasserleitschicht 25 (26) Poren zu bilden. Dies erleichtert die Herstellung der Brennstoffbatterie.
(5) Die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) dringen teilweise in die Gasströmungswege 21c (22c) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) ein, und die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) sind teilweise in der ersten und in der zweiten Wasserleitschicht 25 (26) gefangen. Dadurch gelangen Wassertropfen W leicht mit der ersten und der zweiten Wasserleitschicht 25 (26) in Kontakt und absorbieren die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) die Wassertropfen W leicht.
(6) Die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) sind über die gesamte Fläche des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) hinweg angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass Wassertropfen W über die gesamten Gasströmungswege 21c (22c) des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 (22) hinweg zurückbleiben.

Die oben besprochene Ausführungsform kann wie nachstehend beschrieben abgewandelt werden.
Wie in 8 gezeigt können die Ränder der Ringe 21a (22a) im ersten und im zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) mit dem ersten und dem zweiten Separator 23 (24) in Kontakt stehen. In diesem Fall sind der erste und der zweite Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 (22) elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Separator 23 (24) verbunden. Daher können die erste und die zweite Wasserleitschicht 25 (26) aus einem nichtleitenden Material gebildet werden. Dies erhöht den Freiheitsgrad für die Wahl des Materials der ersten und der zweiten Wasserleitschicht 25 (26).
Wie in 9 gezeigt kann an dem Ende der ersten Wasserleitschicht 25, das sich nächst dem Ablassdurchgang G2 befindet, eine Verlängerung 25b gebildet sein, die sich zum Ablassdurchgang G2 hin erstreckt. Ferner können die Verlängerung 25b und die Elektrodenanordnung 15 (die Elektrolytmembran 16) durch eine Wärmeübertragungsplatte 33, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, verbunden sein. In diesem Fall erhitzt Brennstoffgas, das aufgrund der Stromerzeugung eine hohe Temperatur aufweist, die Verlängerung 25b. Dies verdampft und beseitigt das Wasser, das im Wasserdurchgang 25a der Verlängerung 25b vorhanden ist. Dies verbessert das Ablassen von Wasser aus dem Wasserdurchgang 25a der ersten Wasserleitschicht 25. Ferner kann die Hitze, die infolge der Stromerzeugung durch die Brennstoffbatterie an der Elektrolytmembran 16 und an den elektrokatalytischen Schichten 17 und 18 erzeugt wird, durch die Wärmeübertragungsplatte 33 zur Verlängerung 25b übertragen werden. Dies verbessert die Verdampfung des Wassers, das im Wasserdurchgang 25a des Verlängerung 25b vorhanden ist, weiter. Daher wird das Ablassen von Wasser aus dem Wasserdurchgang 25a der ersten Wasserleitschicht 25 weiter verbessert.
10 ist eine schematische Draufsicht, die den ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper 21 zeigt. Die Fließgeschwindigkeit des Brennstoffgases, das durch den Gasströmungsweg 21c (siehe 4) strömt, wird mit der Annäherung an den Mittelteil des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 schneller und mit der Annäherung an die linke und die rechte Seite des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 langsamer. Ferner besteht die Neigung, dass Wassertropfen W in der stromabwärts befindlichen Seite des Gasströmungswegs im ersten Gasströmungsweg-Bildungskörper zurückbleiben. Das heißt, das Wasser weist die Neigung auf, in der linken und in der rechten Seite des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 zurückzubleiben. Daher kann die erste Wasserleitschicht 25 nur in den Bereichen E1 und E2, die durch die doppelt gestrichelten Linien an der linken und an der rechten Seite des ersten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 gezeigt sind, lediglich im Bereich E3, der durch die doppelt gestrichelte Linie an der stromabwärts befindlichen Seite gezeigt ist, oder nur in den Bereichen E1, E2 und E3 angeordnet sein.
Für die leitende erste und zweite Wasserleitschicht 25 und 26 kann zum Beispiel ein poröser Körper, der kapillarförmige Wasserdurchgänge aufweist, ein poröser Körper, der kapillarförmige Wasserdurchgänge aufweist, aus Harz hergestellt ist und einem leitenden Beschichtungsprozess unterzogen wurde, ein poröser Körper, der kapillarförmige Wasserdurchgänge aufweist und aus einer leitenden Keramik hergestellt ist, oder ein poröser Körper, der kapillarförmige Wasserdurchgänge aufweist, aus Kohlenstoff hergestellt ist und hydrophile Eigenschaften aufweist, verwendet werden.
Für das Material des ersten und des zweiten Gasströmungsweg-Bildungskörpers 21 und 22 können zum Beispiel Metallplatten aus Aluminium, Kupfer oder dergleichen verwendet werden.
Die Gasdiffusionsschichten 19 und 20 können aus der Brennstoffbatterie beseitigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-87768 [0010]

Claims

Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie, die Stromquelle aufweisend: eine Elektrolytmembran, welche im Inneren eines Schleifenrahmens angeordnet ist, eine anodenseitige elektrokatalytische Schicht, die auf einer ersten Fläche der elektrokatalytischen Schicht angeordnet ist, eine kathodenseitige elektrokatalytische Schicht, die auf einer zweiten Fläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, einen anodenseitigen Gasströmungsweg-Bildungskörper, der auf einer Fläche der anodenseitigen elektrokatalytischen Schicht angeordnet ist und einen Gasströmungsweg aufweist, welcher Brennstoffgas zuführt, einen kathodenseitigen Gasströmungsweg-Bildungskörper, der auf eine Fläche der kathodenseitigen elektrokatalytischen Schicht angeordnet ist und einen Gasströmungsweg aufweist, der Oxidationsgas zuführt, und einen Separator, der auf eine Fläche jedes Gasströmungsweg-Bildungskörpers angeordnet ist, wobei die Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie gekennzeichnet ist durch: eine Wasserleitschicht, die zwischen jedem Gasströmungsweg-Bildungskörper und dem entsprechenden Separator angeordnet ist und einen kapillarförmigen Wasserdurchgang aufweist, wobei der Wasserdurchgang der Wasserleitschicht Wasser, das durch eine Stromerzeugungstätigkeit der Brennstoffzelle im Gasströmungsweg jedes Gasströmungsweg-Bildungskörpers erzeugt wird, absorbiert und ein Gasstrom im Gasströmungsweg das Wasser im Wasserdurchgang zu einer stromabwärts befindlichen Seite des Gasstroms drängt.
Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitschicht aus einem leitenden Material gebildet ist.
Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Gasströmungsweg-Bildungskörper jeweils durch eine Metallleiste gebildet sind, die mehrere Ringe mit Hohlräumen aufweist; und die Gasströmungsweg-Bildungskörper und die Wasserleitschichten aneinander gebunden sind, indem sie in einem übereinanderliegenden Zustand in ihrer Dickenrichtung gepresst sind, so dass Ränder der Ringe in der Wasserleitschicht gefangen sind.
Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitschicht über die gesamte Fläche des Gasströmungsweg-Bildungskörpers hinweg angeordnet ist.
Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitschicht eine Verlängerung aufweist, die sich zu einer stromabwärts befindlichen Seite des Gasströmungswegs erstreckt, wobei sich die Verlängerung in einem Ablassdurchgang des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases, der im Rahmen gebildet ist, befindet.
Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung und eine Elektrodenanordnung, die die Elektrolytmembran enthält, durch eine Wärmeübertragungsplatte miteinander verbunden sind.
Stromerzeugungszelle für eine Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitschicht unter Verwendung zumindest eines Materials gebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem aus Metallfasern hergestellten Gewebe oder Vliesstoff, einem porösen Metallkörper, einem porösen Körper, der aus Harz hergestellt ist und einem leitenden Beschichtungsprozess unterzogen wurde, einem porösen Körper, der aus einer leitenden Keramik hergestellt ist, und einem porösen Körper, der aus Kohlenstoff hergestellt ist und hydrophile Eigenschaften aufweist, besteht.