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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere einen Brennstoffzellenseparator.
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Stand der Technik
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Ein bekannter Aufbau eines Brennstoffzellenseparators weist Vertiefungen und Vorsprünge auf, die an entsprechenden Seiten ausgebildet sind, um an der einen Fläche einen Reaktionsgasströmungspfad zu definieren und an der anderen Fläche einen Kühlwasserströmungspfad zu definieren. Die Formen der Vertiefungen und Vorsprünge haben Einfluss auf die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle. Es gibt keine ausreichenden Erörterungen oder Studien zu den Formen der Vertiefungen und der Vorsprünge, die an jedem Separator ausgebildet sind, in Hinblick der Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Anbetracht zumindest eines Teils der oben erwähnten Problematik besteht ein Bedarf zur Bereitstellung eines Separators, der eine Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz einer Brennstoffzelle ermöglicht.
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Um zumindest einen Teil des oben beschriebenen Bedarfs anzusprechen, stellt die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen und Anwendungen bereit, die im Folgenden beschrieben werden.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf einen Brennstoffzellenseparator gerichtet, wobei der Separator eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist, die erste Platte eine Vielzahl von ersten Vorsprüngen aufweist, die zu der zweiten Platte vorspringen, um Reaktionsgasströmungspfade zu definieren, die zweite Platte eine Vielzahl von zweiten Vorsprüngen aufweist, die zur ersten Platte hin vorspringen, um Reaktionsgasströmungspfade zu definieren, eine Oberseite jedes der Vielzahl von ersten Vorsprüngen in Kontakt mit einem Zwischenabschnitt zwischen zwei benachbarten von der Vielzahl von zweiten Vorsprüngen, die an der zweiten Platte ausgebildet sind, ist und eine Oberseite von jedem der Vielzahl von zweiten Vorsprüngen in Kontakt mit einem Zwischenabschnitt zwischen zwei benachbarten der Vielzahl von ersten Vorsprüngen, die an der ersten Platte ausgebildet sind, ist.
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Der Separator gemäß diesem Aspekt der Erfindung erhöht den Abstand der ersten Vorsprünge und den Abstand der zweiten Vorsprünge ohne die Gesamtdicke der Brennstoffzelle in ihrer Stapelrichtung auszudehnen. Der Strom des Reaktionsgases entfernt auf einfache Weise das durch die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle erzeugte und in dem Zwischenabschnitt zwischen den zwei benachbarten Vorsprüngen befindliche Wasser. Dies verringert das Flutungspotential und verbessert die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle. Das Erhöhen der Abstände der Vorsprünge erhöht auf wirksame Weise den Anteil des Bereichs der Brennstoffzelle mit hoher Stromerzeugungseffizienz und verbessert dadurch die Gesamtstromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf den Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten Aspekt gerichtet, wobei eine Seitenfläche von jedem der Vielzahl von ersten Vorsprüngen in Kontakt mit einer Seitenfläche eines entsprechenden der Vielzahl von zweiten Vorsprüngen steht.
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Der Aufbau dieser Anwendung dehnt den Kontaktbereich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte aus und reduziert somit den Kontaktwiderstand zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte. Diese Anordnung verringert somit einen kontaktwiderstandsinduzierten Spannungsabfall.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Brennstoffzellenseparator gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt gerichtet und weist ferner eine dritte Platte und eine vierte Platte auf, die an einer gegenüberliegen Seite zur ersten Platte und zur zweiten Platte jenseits einer Membranelektrodenanordnung angeordnet sind, wobei die dritte Platte eine Vielzahl von dritten Vorsprüngen hat, die zur vierten Platte hin vorspringen, um Reaktionsgasströmungspfade zu definieren, die vierte Platte eine Vielzahl von vierten Vorsprüngen aufweist, die zur dritten Platte hin vorspringen, um Reaktionsgasströmungspfade zu definieren, die Vielzahl der dritten Vorsprünge und die Vielzahl der zweiten Vorsprünge so angeordnet sind, dass sie über die Membranelektrodenanordnung hinweg einander zugewandt sind, und die Vielzahl der vierten Vorsprünge und die Vielzahl der ersten Vorsprünge so angeordnet sind, dass sie über die Membranelektrodenanordnung hinweg einander zugewandt sind.
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Der Aufbau dieser Anordnung hat dritte Vorsprünge, die den zweiten Vorsprüngen zugewandt angeordnet sind, und vierte Vorsprünge, die den ersten Vorsprüngen zugewandt angeordnet sind, wodurch die Festigkeit des Separators erhöht wird.
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Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Brennstoffzellenseparator gemäß einem der Aspekte 1 bis 3 gerichtet und weist ferner einen ersten Verteilerkanal für die Reaktionsgaszufuhr und einen zweiten Verteilerkanal für die Reaktionsgasabfuhr auf, wobei jeder der Vorsprünge streifenförmig ausgebildet ist, die durch die Vorsprünge definierten Reaktionsgasströmungspfade abwechselnd mit dem ersten Verteilerkanal und dem zweiten Verteilerkanal verbunden sind und die durch die Vorsprünge definierten Reaktionsgasströmungspfade geschlossene Enden haben, die den entsprechenden Verbindungsenden, die abwechselnd mit dem ersten Verteilerkanal und dem zweiten Verteilerkanal verbunden sind, zugewandt sind.
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Der Aufbau dieser Ausführungsform ermöglicht eine effiziente Reaktionsgaszufuhr über die Membranelektrodenanordnungen.
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Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Brennstoffzelle gerichtet, wobei die Brennstoffzelle den Brennstoffzellenseparator gemäß einem der Aspekte 1 bis 4 und eine Membranelektrodenanordnung aufweist.
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Die Technik der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einen Brennstoffzellenseparator mit irgendeinem der oben diskutierten Konfigurationen und Anordnungen beschränkt, sondern kann durch vielfältige andere Anwendungen zum Beispiel als eine Brennstoffzelle mit dem Brennstoffzellenseparator verwirklicht werden. Die Erfindung ist nicht auf irgendeine der oben diskutierten Ausführungsformen und Anwendungen beschränkt, sondern kann in diversen anderen Ausführungsformen und Anwendungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung verwirklicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 ist eine Draufsicht auf eine anodenseitige Platte;
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3 ist eine Draufsicht auf eine kathodenseitige Platte;
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4 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer konventionellen Brennstoffzelle;
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5 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
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7 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 weist Separatoren 11 und Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 auf. Der Separator 11 weist eine anodenseitige Separatorplatte 200 (im Folgenden als „anodenseitige Platte 200” bezeichnet) und eine kathodenseitige Separatorplatte 300 (im Folgenden als „kathodenseitige Platte 300” bezeichnet) auf. Zum Zweck einer verbesserten Darstellung gibt es in der Darstellung der 1 einen gewissen Abstand zwischen den Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100, der anodenseitigen Platte 200 und der kathodenseitigen Platte 300. Tatsächlich gibt es diese Abstände nicht, sondern stehen diese Komponenten in Kontakt miteinander.
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Die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 weist eine Elektrolytmembran 110, Katalysatorschichten 112 und 114 und Gasdiffusionsschichten 116 und 118 auf. Die Elektrolytmembran 110 bewegt die auf der Anodenseite produzierten Protonen zur Kathodenseite. Die Elektrolytmembran 110 ist zum Beispiel eine protonleitende Ionenaustauschmembran, die zum Beispiel aus einem Fluorharz, wie zum Beispiel einem Perfluorkohlenstoffsulfonsäurenpolymer oder einem Kohlenwasserstoffharz besteht.
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Die Katalysatorschichten 112 und 114 sind an den jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran 110 ausgebildet. Zum Beispiel kann als Katalysator für Katalysatorschichten 112 und 114 ein Platinkatalysator oder ein Platinlegierungskatalysator aus Platin und einem anderen Material verwendet werden. Der Katalysator wird von einem Träger, zum Beispiel Kohlenstoffpartikel, getragen und an den jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran 110 angebracht, um die Katalysatorschichten 112 und 114 zu bilden. Die Anordnung aus der Elektrolytmembran 110 und den Katalysatorschichten 112 und 114 wird als „Membranelektrodenanordnung 115” bezeichnet.
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Die Gasdiffusionsschichten 116 und 118 befinden sich jeweils außerhalb der Katalysatorschichten 112 und 114. Ein Karbonfaserflies oder Kohlepapier kann für die Gasdiffusionsschichten 116 und 118 verwendet werden. Alternativ kann ein poröses Metall oder ein poröses Harz für die Gasdiffusionsschichten 116 und 118 verwendet werden.
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2 ist eine von der in der 1 gezeigten kathodenseitigen Platte 300 aus gesehene Draufsicht auf die anodenseitige Platte 200. Die anodenseitige Platte 200 ist zum Beispiel ein Metallteil mit einer im Wesentlichen rechtwinkligen Form und hat Öffnungen 201 bis 206, die in einer Außenumfangsfläche ausgebildet sind. Diese Öffnungen 201 bis 206 bilden die Verteilerkanäle 101 bis 106, die für die Zufuhr und Abfuhr der Reaktionsgase und eines Kühlmittels vorgesehen sind.
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Die anodenseitige Platte 200 hat eine Vielzahl von Vorsprüngen 210, die in einem mittleren Bereich vorgesehen sind. Jeder der Vorsprünge 210 ist streifenförmig, um in der 2 vorzuspringen (das heißt zur in der 1 gezeigten kathodenseitigen Platte 300 hin). Die jeweiligen Vorsprünge 210 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Brenngasströmungspfade 411 und 412 (1) werden auf einer Seite der Vorsprünge 210 definiert, die der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 zugewandt sind. Wie in der 2 gezeigt hat jeder der Brenngasströmungspfade 411 ein Ende, das mit dem Verteilerkanal 101 in Verbindung steht, und ein geschlossenes Ende 413. Der Verteilerkanal 101 dient als ein Brenngaszufuhrverteilerkanal und die Brenngasströmungspfade 411 dienen als ein Durchlass für die Brenngaszufuhr. Jeder der Brenngasströmungspfade 412 hat ein Ende, das mit dem Verteilerkanal 102 in Verbindung steht, und ein geschlossenes Ende 414. Der Verteilerkanal 102 dient als ein Brenngasabfuhrverteilerkanal und die Brenngasströmungspfade 412 dienen als Durchlass für die Brenngasabfuhr. Die Brenngasströmungspfaden 411 und 412 sind in einer verzahnten kammartigen Anordnung abwechselnd vorgesehen. Vertiefungsabschnitte von den Vorsprüngen 210 zu den Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 werden als Vertiefungen 215 bezeichnet.
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3 ist eine von der in der 1 gezeigten anodenseitigen Platte 200 aus gesehene Draufsicht der kathodenseitigen Platte 300. Die kathodenseitige Platte 300 ist zum Beispiel ein Metallteil mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form und hat Öffnungen 301 bis 306, die in einem Außenumfangsbereich ausgebildet sind. Diese Öffnungen 301 bis 306 bilden die Verteilerkanäle 101 bis 106, die für die Zufuhr und Abfuhr der Reaktionsgase und des Kühlmittels vorgesehen sind.
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Die kathodenseitige Platte 300 hat eine Vielzahl von Vorsprüngen 310, die in einem mittleren Bereich vorgesehen sind. Jeder der Vorsprünge 310 ist streifenförmig, um in der 3 vorzuspringen (das heißt zur in der 1 gezeigten anodenseitigen Platte 200 hin). Die jeweiligen Vorsprünge 310 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Oxidationsgasströmungspfade 421 und 422 (1) sind an einer Seite der Vorsprünge 310, die der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 zugewandt sind, definiert. Wie in der 3 gezeigt hat jeder der Oxidationsgasströmungspfade 421 ein Ende, das mit dem Verteilerkanal 103 in Verbindung steht, und ein geschlossenes Ende 423. Der Verteilerkanal 103 dient als ein Oxidationsgaszufuhrverteilerkanal und die Oxidationsgasströmungspfade 421 dienen als ein Durchlass für die Oxidationsgaszufuhr. Jeder der Oxidationsgasströmungspfade 422 hat ein Ende, das mit dem Verteilerkanal 104 in Verbindung steht, und ein geschlossenes Ende 424. Der Verteilerkanal 104 dient als Oxidationsgasabfuhrverteilerkanal und die Oxidationsgasströmungspfade 422 dienen als ein Durchlass für die Oxidationsgasabfuhr. Die Oxidationsgasströmungspfade 421 und 423 sind in einer verzahnten kammartigen Anordnung abwechselnd vorgesehen. Vertiefungsabschnitte von den Vorsprüngen 310 zu den Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hin werden als Vertiefungen 315 bezeichnet.
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Wie in der 1 gezeigt stehen die Vorsprünge 210 der anodenseitigen Platte 200 im Kontakt mit den Vertiefungen 315 der kathodenseitigen Platte 300 und die Vorsprünge 310 der kathodenseitigen Platte 300 mit den Vertiefungen 215 der anodenseitigen Platte 200. Kühlmittelströmungspfade 430 werden zwischen den Vertiefungen 215 und den Vertiefungen 315 definiert.
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Wie in der 2 gezeigt ist auf der anodenseitigen Platte 200 eine Dichtung 510 so vorgesehen, dass sie der kathodenseitigen Platte 300 zugewandt ist. Zur Veranschaulichung sind die Positionen der Dichtrippen der Dichtung 510 lediglich durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Die Dichtung 510 hat Dichtrippen, die so ausgebildet sind, dass sie die Öffnung 201 bis 206 und den gesamten Bereich der Vorsprünge 210 umgeben. Diese Dichtrippen der Dichtung 510 dienen dazu, einen Austritt eines Kühlmittels in der Ebene der anodenseitigen Platte 200 zu verhindern. Die Dichtung 510 hat ferner Dichtrippen, die ausgebildet sind, um einzeln die jeweiligen Öffnungen 201 bis 204 zu umgeben. Diese Dichtrippen der Dichtung 510 dienen dazu, ein Austreten eines Brenngases oder eines Oxidationsgases in der Ebene der anodenseitigen Platte 200 zu verhindern.
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Eine Dichtung 520, welche durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, ist auf der anodenseitigen Platte 200 so vorgesehen, dass sie der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 zugewandt ist. Die Dichtung 520 hat Dichtrippen, die ausgebildet sind, um die Öffnungen 201 bis 206 und den gesamten Bereich der Vorsprünge 210 zu umgeben. Diese Dichtrippen der Dichtung 520 dienen dazu, ein Austreten des Brenngases in der Ebene der anodenseitigen Platte 200 zu verhindern. Die Dichtung 520 hat ferner Dichtrippen, die so ausgebildet sind, dass sie einzeln die jeweiligen Öffnungen 203 bis 206 umgeben. Diese Dichtrippen der Dichtung 520 dienen dazu, ein Austreten des Oxidationsgases oder Kühlmittels in der Ebene der anodenseitigen Platte 200 zu verhindern.
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Wie in der 3 gezeigt ist eine Dichtung 530 (die Positionen ihrer Dichtrippen sind durch die gestrichelte Linie dargestellt) auf der kathodenseitigen Platte 300 so vorgesehen, dass sie der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 zugewandt sind. Die Dichtung 530 hat Dichtrippen, die so ausgebildet sind, dass sie die Öffnungen 301 bis 306 und den gesamten Bereich der Vorsprünge 310 umgeben. Diese Dichtrippen der Dichtung 530 dienen dazu, ein Austreten des Oxidationsgases in der Ebene der kathodenseitigen Platte 300 zu verhindern. Die Dichtung 530 hat ferner Dichtrippen, die so ausgebildet sind, dass sie einzeln die jeweiligen Öffnungen 301, 302, 305 und 306 umgeben. Diese Dichtrippen der Dichtung 530 dienen dazu, ein Austreten des Brenngases oder des Kühlmittels in der Ebene der kathodenseitigen Platte 300 zu verhindern.
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In der Darstellung der 3 sind die Stellen der Dichtrippen der Dichtung 510 durch eine strichpunktierte Linie gezeigt. Diese Dichtung 510 ist identisch mit der Dichtung 510 der 2, die auf der anodenseitigen Platte 200 so vorgesehen ist, dass sie der kathodenseitigen Platte 300 zugewandt ist. Dies heißt, dass sich die Dichtung 510 zwischen der anodenseitigen Platte 200 und der kathodenseitigen Platte 300 befindet.
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4 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer konventionellen Brennstoffzelle. Die konventionelle Brennstoffzelle 50 (im Folgenden als „Stand der Technik” bezeichnet) weist Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100, anodenseitige Platten 280 und kathodenseitige Platten 380 auf. Jede der anodenseitigen Platten 280 hat Vorsprünge 285, die zur benachbarten kathodenseitigen Platte 380 hin vorspringen. Jede der kathodenseitigen Platten 380 hat Vorsprünge 385, die zur benachbarten anodenseitigen Platte 280 hin vorspringen.
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Die Hauptunterschiede des Stands der Technik zu der ersten Ausführungsform liegt in den Positionen und Dimensionen der Vorsprünge 285 und der Vorsprünge 385. Beim Stand der Technik sind die Vorsprünge 285 so angeordnet, dass sie den Vorsprüngen 385 zugewandt sind, so dass die Oberseiten der Vorsprünge 285 in Kontakt mit den Oberseiten der zugewandten Vorsprünge 385 stehen. Die Vorsprünge 285, 385 des Stands der Technik haben einen Abstand Y2 und eine Höhe H2 (4), die sich von einem Abstand Y1 und einer Höhe H1 der Vorsprünge 210 und 310 der ersten Ausführungsform (1) unterscheiden. Genauer gesagt ist der Abstand Y1 der Vorsprünge 210 und 310 der ersten Ausführungsform (1) doppelt so groß wie der Abstand Y2 der Vorsprünge 285 und 385 des Stands der Technik (4). Die Höhe H1 der Vorsprünge 210 und 310 der ersten Ausführungsform (1) ist doppelt so hoch wie die Höhe H2 der Vorsprünge 285 und 385 des Stands der Technik (4).
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Bei der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform liefern Y1 (= 2·Y2) und H1 (= 2·H2) als Abstand und Höhe der Vorsprünge 210 und 310 Reaktionsgasströmungspfade mit einer zum Stand der Technik identischen Querschnittsfläche und ermöglicht die Zufuhr der Reaktionsgase mit der selben Strömungsrate.
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Die Strömung des Oxidationsgases durch die Gasdiffusionsschicht 118 wird im Folgenden diskutiert. Sowohl die kontaktfreien Bereiche 118a der ersten Ausführungsform als auch die kontaktfreien Bereiche 118c des Stands der Technik, wo die Gasdiffusionsschicht 118 nicht mit der kathodenseitigen Platte 300 bzw. 380 in Kontakt sind, haben die gleich Weite X1 (1 und 4). Die Kontaktbereiche 118b der ersten Ausführungsform, wo die Gasdiffusionsschicht 118 in Kontakt mit der kathodenseitigen Platte 300 steht, hat jedoch eine Weite X2 (1), die sich von einer Weite X3 (4) der Kontaktbereiche 118d des Stands der Technik unterscheidet, wo die Gasdiffusionsschicht 118 in Kontakt mit der kathodenseitigen Platte 380 steht, wobei X2 > X3 ist.
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In den kontaktfreien Bereichen 118a und 118c, wo die Gasdiffusionsschicht 118 nicht in Kontakt mit der kathodenseitigen Platte 300 bzw. 380 steht, gibt es eine geringe Wahrscheinlichkeit einer Oxidationsgasmigration. Die geringe Oxidationsgasmigration verhindert eine gleichmäßige Beseitigung des durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugten Wassers und erhöht das Flutungspotential. Somit tritt etwas nach dem Betriebsbeginn der Brennstoffzelle eine Flutung auf, wodurch eine ausreichende Zufuhr von Sauerstoff behindert und die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle abgesenkt wird. In den Kontaktbereichen 118b und 118d, wo die Gasdiffusionsschicht 118 in Kontakt mit der kathodenseitigen Platte 300 bzw. 380 steht, strömt andererseits das in die Oxidationsgasströmungspfade 421 eingeführte Oxidationsgas durch die Kontaktbereiche 118b bzw. 118d der Gasdiffusionsschicht zu den Oxidationsgasströmungspfaden 422. Diese Oxidationsgasströmung ermöglicht die Beseitigung des in den Kontaktbereichen 118b bzw. 118d gesammelten Wassers. Die Kontaktbereiche 118b und 118d haben somit ein geringes Flutungspotential und somit eine hohe Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle.
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Das Verhältnis der Weite der Kontaktbereiche 118b zu der Weite der kontaktfreien Bereiche 118a in der ersten Ausführungsform wird so gesetzt, dass es größer als das Verhältnis der Weite der Kontaktbereiche 118d zu der Weite der kontaktfreien Bereiche 118c im Stand der Technik ist. Das heißt, dass die erste Ausführungsform einen höheren Anteil an Kontaktbereichen 118b mit hoher Stromerzeugungseffizienz als der Stand der Technik hat. Die erste Ausführungsform hat somit eine höhere Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 10 als der Stand der Technik.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt sind in der ersten Ausführungsform die Brenngasströmungspfade 411 und 412 abwechselnd angeordnet und haben geschlossene Enden. Das in die Brenngasströmungspfade 411 eingeführte Brenngas strömt somit durch die Gasdiffusionsschicht 116 zu den Brenngasströmungspfaden 412. Auf ähnliche Weise strömt das in die Oxidationsgasströmungspfade 421 eingeführte Oxidationsgas durch die Gasdiffusionsschicht 118 zu den Oxidationsgasströmungspfaden 422. Diese Anordnung stellt den Durchgang des Brenngases und des Oxidationsgases durch die Gasdiffusionsschicht 116 bzw. die Gasdiffusionsschicht 118 (genauer gesagt die Kontaktbereiche 118b) sicher und ermöglicht somit eine effiziente Zufuhr des Brenngases bzw. des Oxidationsgases zu der Membranelektrodenanordnung 115.
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Beim Aufbau des Stands der Technik führt das Verdoppeln des Abstands der Vorsprünge 385 zur Ausdehnung der Weite der Kontaktbereiche 118d, um wie bei der ersten Ausführungsform die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 50 zu erhöhen. Der Aufbau des Stands der Technik erfordert jedoch die Verdopplung der Höhe der Vorsprünge 385, um dieselbe Zufuhr an Oxidationsgas zu erreichen. Eine Verdoppelung der Höhe dehnt jedoch unerwünschter Weise die Gesamtabmessung der Brennstoffzelle 50 in Stapelrichtung aus. Dagegen erreicht der Aufbau der ersten Ausführungsform eine Erhöhung der Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 10 ohne dabei die Abmessung der Brennstoffzelle 10 in Stapelrichtung zu verändern.
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5 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Brennstoffzelle 20 der zweiten Ausführungsform weist Separatoren 21 und Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 auf. Der Separator 21 weist eine anodenseitige Platte 220 und eine kathodenseitige Platte 320 auf. Der Hauptunterschied der anodenseitigen Platte 220 und der kathodenseitigen Platte 320 der zweiten Ausführungsform zu der anodenseitigen Platte 200 und der kathodenseitigen Platte 300 der ersten Ausführungsform sind die Positionen der Vorsprünge 225 und 325. In der zweiten Ausführungsform sind die Positionen der auf der anodenseitigen Platte 220 und der kathodenseitigen Platte 320 ausgebildeten Vorsprünge 225 und 325 in Anordnungsrichtung der Vorsprünge 225 und 325 so verschoben, dass eine Seitenfläche 222 von jedem der Vorsprünge 225 in Kontakt mit einer Seitenfläche 322 des entsprechenden Vorsprungs 325 steht. Diese Anordnung verringert den Kontaktwiderstand zwischen der anodenseitigen Platte 220 und der kathodenseitigen Platte 320. Der Aufbau der zweiten Ausführungsform verringert einen Verlust (kontaktwiderstandsinduzierten Spannungsabfall), der durch den Kontaktwiderstand zwischen der anodenseitigen Platte 220 und der kathodenseitigen Platte 320 induziert wird und verbessert somit im Vergleich zum Stand der Technik die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 20. Der Aufbau der zweiten Ausführungsform hat bezüglich der Querschnittsfläche eine kürzere Umfangslänge und verringert somit den Druckverlust in den Kühlmittelströmungspfaden 430.
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6 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Brennstoffzelle 30 der dritten Ausführungsform weist Separatoren 11 und 31 und Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 auf. Der Separator 11 weist eine anodenseitige Platte 200 und eine kathodenseitige Platte 300 und der Separator 31 weist eine anodenseitige Platte 240 und kathodenseitige Platte 340 auf. Die Aufbauten der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 und der Separator 11 (das heißt die erste anodenseitige Platte 200 und die erste kathodenseitige Platte 300) sind ähnlich wie die der ersten Ausführungsform.
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Die zweite anodenseitige Platte 240 und die zweite kathodenseitige Platte 340 sind jeweils neben der ersten kathodenseitigen Platte 300 und der ersten anodenseitigen Platte 200 jenseits der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 angeordnet. Die zweite anodenseitige Platte 240 hat Vorsprünge 245 und Vertiefungen 250 und die zweite kathodenseitige Platte 340 hat Vorsprünge 345 und Vertiefungen 350. Die Vorsprünge 245 und Vertiefungen 250, die auf der zweiten anodenseitigen Platte 240 ausgebildet sind, entsprechen jeweils den Vorsprüngen 210 und den Vertiefungen 215, die auf der ersten anodenseitigen Platte 200 ausgebildet sind. Auf ähnliche Weise entsprechen die Vorsprünge 345 und die Vertiefungen 350, die auf der zweiten kathodenseitigen Platte 340 ausgebildet sind, jeweils den Vorsprüngen 310 und den Vertiefungen 315, die auf der ersten kathodenseitigen Platte 300 ausgebildet sind.
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Die erste anodenseitige Platte 200 und die zweite kathodenseitige Platte 340 sind so angeordnet, dass die Vorsprünge 210 und die Vorsprünge 345 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind und dass die Vertiefungen 215 und die Vertiefung 350 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind. Die zweite anodenseitige Platte 240 und die erste kathodenseitige Platte 300 sind so angeordnet, dass die Vorsprünge 245 und die Vorsprünge 310 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind und dass die Vertiefungen 250 und die Vertiefungen 315 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind. Diese Anordnung führt über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg zu den einander zugewandten Geometrien zwischen den entsprechenden Oberseiten der entsprechenden Vorsprünge 210 und 345, zwischen den entsprechenden Oberseiten der entsprechenden Vorsprünge 245 und 310, zwischen den entsprechenden Unterseiten der entsprechenden Vertiefungen 215 und 350 und zwischen den entsprechenden Unterseiten der entsprechenden Vertiefungen 250 und 315. Diese Geometrien heben die Biegekräfte auf, die auf die anodenseitigen Platten 200 und 240 und die kathodenseitigen Platten 300 und 340 aufgebracht werden, und erhöhen somit die Festigkeit der Brennstoffzelle 30. Diese Anordnung ermöglicht eine Reduzierung der Dicke der anodenseitigen Platten 200 und 240 und der kathodenseitigen Platten 300 und 340 und führt zu einer Gewichtsreduzierung der Brennstoffzelle insgesamt.
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Bei dem Aufbau der dritten Ausführungsform ist die Strömungsrichtung des Brenngases entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Oxidationsgases festgelegt. Bei einer Anordnung, bei der die Strömungsrichtung des Brenngasstroms gleich der Strömungsrichtung des Oxidationsgasstroms festgelegt ist, weist die Zufuhrseite des Brenngases und des Oxidationsgases (das heißt die stromaufwärtige Seite) eine hohe Reaktivität der Brennstoffzelle und somit eine große Menge an erzeugtem Wasser auf, während die stromabwärtige Seite eine relativ geringe Menge an erzeugtem Wasser hat. Dies führt zu einem Ungleichgewicht der Menge an erzeugtem Wasser. Bei der Anordnung, bei der die Strömungsrichtungen des Brenngasstroms und des Oxidationsgasstroms entgegengesetzt festgelegt werden, wie bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform, ist dagegen über die gesamte Strömung der Reaktionsgase einschließlich dem stromaufwärtigen, dem mittleren und dem stromabwärtigen Abschnitt die Reaktivität der Brennstoffzelle im Wesentlichen gleich. Dadurch wird ein gutes Gleichgewicht an der erzeugten Wassermenge erzielt und eine Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz ermöglicht.
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7 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle in einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Brennstoffzelle 40 der vierten Ausführungsform weist Separatoren 21 und 41 und Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 auf. Der Separator 21 weist eine anodenseitige Platte 220 und eine kathodenseitige Platte 320 und der Separator 31 weist eine anodenseitige Platte 260 und eine kathodenseitige Platte 360 auf. Die Aufbauten der Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 und des Separators 21 (das heißt der ersten anodenseitigen Platte 220 und der ersten kathodenseitigen Platte 320) sind ähnlich der der zweiten Ausführungsform.
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Der Hauptunterschied der vierten Ausführungsform zu der dritten Ausführungsform liegt in den Positionen der Vorsprünge 225, 265, 325 und 365. Genauer gesagt sind ähnlich dem Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform die Positionen der Vorsprünge 225, 265, 325 und 365 in Anordnungsrichtung der Vorsprünge 225, 265, 325 und 365 so verschoben, dass eine Seitenfläche 222 von jedem der Vorsprünge 325 in Kontakt mit einer Seitenfläche 322 von jedem entsprechenden Vorsprung 325 steht und dass eine Seitenfläche 262 von jedem der Vorsprünge 265 in Kontakt mit einer Seitenfläche 362 von jedem entsprechenden Vorsprung 365 steht. Diese Anordnung verringert den Kontaktwiderstand zwischen der anodenseitigen Platte 220 und der kathodenseitigen Platte 320 und den Kontaktwiderstand zwischen der anodenseitigen Platte 260 und der kathodenseitigen Platte 360. Der Aufbau der vierten Ausführungsform verringert einen Verlust (kontaktwiderstandsinduzierten Spannungsabfall), der durch solchen Kontaktwiderstand induziert wird, und verbessert dadurch die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 40 im Vergleich zum Stand der Technik.
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Die erste anodenseitige Platte 220 und die zweite kathodenseitige Platte 360 sind so angeordnet, dass die Vorsprünge 225 und die Vorsprünge 365 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind und dass die Vertiefungen 230 und die Verliefungen 370 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind. Die zweite anodenseitige Platte 260 und die erste kathodenseitige Platte 320 sind so angeordnet, dass die Vorsprünge 265 und die Vorsprünge 325 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg einander zugewandt sind und dass die Vertiefungen 270 und die Vertiefungen 330 über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 einander zugewandt sind. Diese Anordnung führt über die Membranelektroden/Gasdiffusionsschicht-Anordnungen 100 hinweg zu einander zugewandten Geometrien zwischen den entsprechenden Oberseiten der entsprechenden Vorsprünge 225 und 365, zwischen den entsprechenden Oberseiten der entsprechenden Vorsprünge 265 und 325, zwischen den entsprechenden Unterseiten der entsprechenden Vertiefungen 230 und 370 und zwischen den entsprechenden Unterseiten der entsprechenden Vertiefungen 270 und 330. Diese Anordnungen gleichen die Biegekräfte aus, die auf die anodenseitigen Platten 220 und 260 und die kathodenseitigen Platten 320 und 360 aufgebracht werden und verbessern dadurch die Festigkeit der Brennstoffzelle 40. Der Aufbau der vierten Ausführungsform erreicht somit sowohl eine Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz durch Reduzierung des Kontaktwiderstandes als auch eine Verbesserung der Festigkeit der Brennstoffzelle 40. Der Aufbau der vierten Ausführungsform legt ebenfalls die Strömungsrichtungen des Brenngasstroms und des Oxidationsgasstroms entgegengesetzt zueinander fest, wodurch ein gutes Gleichgewicht der durch die elektrochemische Reaktion erzeugten Wassermenge erreicht wird und die Stromerzeugungseffizienz verbessert wird. Der Aufbau der vierten Ausführungsform hat ferner relativ zur Querschnittsfläche eine kürzere Umfangslänge und reduziert dadurch den Druckverlust in den Kühlmittelströmungspfaden 430.
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Die Ausführungsformen und deren modifizierten Beispiele sind lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung beschrieben und in jeglicher Hinsicht als illustrierend und nicht beschränkend zu betrachten. Es können viele Modifikationen, Änderungen und Auswechslungen erfolgen, ohne vom Schutzbereich oder dem Kern der Hauptcharakteristiken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. All diese Modifikationen und Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, sind von deren Schutzbereich umfasst.
