-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
JP H10-134833 A bekannt.
-
Die
JP 2004-186008 A offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl sich schlängelnder Gasdurchgänge.
-
Im Allgemeinen enthält eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel 11, welcher durch eine Vielzahl an Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet ist, welche wie in 13 gezeigt gestapelt sind. Wie in 14 gezeigt, wird eine Elektrodenanordnung 15 an einem Verbindungsabschnitt eines Paars Rahmen 13, 14 platziert, welche die jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 bilden. Die Elektrodenanordnung 15 enthält eine Festelektrolytmembran 16, eine Elektrodenkatalysatorschicht 17, welche auf der Anodenseite positioniert ist, und eine Elektrodenkatalysatorschicht 18, welche auf der Kathodenseite positioniert ist. Eine äußere Umfangskante der Festelektrolytmembran 16 ist dadurch befestigt, dass dieselbe durch beide Rahmen 13, 14 eingeklemmt ist. Eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 19 ist auf eine Oberfläche der Elektrodenkatalysatorschicht 17 geschichtet und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 20 ist auf eine Oberfläche der Elektrodenkatalysatorschicht 18 geschichtet. Zudem ist ein anodenseitiges erstes Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs auf eine Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 19 geschichtet und ein kathodenseitiges zweites Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs auf eine Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 20 geschichtet. Ein flacher Separator 23 ist mit einer Oberfläche des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verbunden und ein flacher Separator 24 ist mit einer Oberfläche des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verbunden.
-
Wie in den 14 und 15 gezeigt, enthält das erste Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs einen Basisplattenabschnitt 21a, welcher mit dem Separator 23 in Kontakt gerät, und einen Vorsprung 21b, welcher auf einer Oberfläche des Basisplattenabschnitts 21a einstückig ausgebildet ist. Eine gerade Nut 21c, welche einen Gasdurchgang T bildet, ist zwischen angrenzenden Vorsprüngen 21b infolgedessen ausgebildet, das dieselbe durch die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 19 verschlossen ist. Das zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs weist die gleiche Konfiguration wie das Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs auf. Mit anderen Worten enthält das zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs einen Basisplattenabschnitt 22a, welcher mit dem Separator 24 in Kontakt gerät, und einen Vorsprung 22b, welcher auf einer Oberfläche des Basisplattenabschnitts 22a einstückig ausgebildet ist. Eine gerade Nut 22c, welche einen Durchgang F bildet, ist zwischen den angrenzenden Vorsprüngen 22b infolgedessen ausgebildet, das dieselbe durch die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 20 verschlossen ist. Brenngas oder Wasserstoffgas wird dem Gasdurchgang T von einem Brenngaszuführdurchgang M1 zugeführt, welcher auf den Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet ist, und Oxidationsgas wird dem Durchgang F von einem Durchgang R1 zum Zuführen von Oxidationsgas oder Sauerstoffgas (siehe 13) zugeführt, welcher auch auf den Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet ist. Infolge des Zuführens des Brenngases und Oxidationsgases werden das Brenngas und das Oxidationsgas in der Elektrodenanordnung 15 zur elektrochemischen Reaktion gebracht und erzeugen dadurch Leistung. Das Brennstoffabgas und Oxidationsabgas, welche bei der Leistungserzeugung nicht verwendet wurden, werden jeweils zur Außenseite der Leistungserzeugungszellen 12 durch einen Durchgang M2 zum Ablassen eines Brennstoffabgases und einen Durchgang R2 zum Ablassen eines Oxidationsabgases abgelassen (siehe 13), welche auf den Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet sind (siehe Schrift 1).
-
DOKUMENT DES STANDS DER TECHNIK
-
- Schrift 1: Japanische Schrift Nr. JP 2007-207725 A
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Durch die Erfindung zu lösende Probleme Bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle, wie in den 14 und 15 gezeigt, sind die geraden Nuten 21c, 22c jedoch derart in der gleichen Form ausgebildet, dass alle Querschnittsflächen der geraden Nuten 21c, 22c der Elemente 21, 22 zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs gleich sind. Folglich ergeben sich die folgenden Probleme. D. h., wie in der Technik bekannt ist, wird bei der Erzeugung von Leistung durch die Leistungserzeugungszellen 12 aufgrund der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Wasser in der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 und der Gasdiffusionsschicht 20 erzeugt. Da das Brenngas und das Oxidationsgas jeweils den Leistungserzeugungszellen 12 in einem Zustand zugeführt werden, in welchem dieselben durch eine Befeuchtungsvorrichtung befeuchtet sind, um die Leistungserzeugungseffizienz zu verbessern, wird den Durchgängen T, F Befeuchtungswasser zugeführt. Ein Teil des Wassers, welches auf der Kathodenseite erzeugt wird, sickert in die Elektrodenanordnung 15 und gelangt als Sickerwasser in die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 19 und die gerade Nut 21c des Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs.
-
Wenn das vorhergehend erzeugte Wasser und Befeuchtungswasser als zurückgehaltenes Wasser W an einer Wandfläche der geraden Nut 22c des kathodenseitigen zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs anhaften und auf derselben bleiben, wird die Strömungsmenge des durch die gerade Nut 22c strömenden Oxidationsgases aufgrund des zurückgehaltenen Wassers W abnehmen und die Erzeugung von Leistung beschränkt. Mit anderen Worten wird, wie in 16 gezeigt, wenn beispielsweise drei gerade Nuten 22c, d. h., wenn die Durchgänge F durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert werden, das Oxidationsgas nicht länger der Elektrodenkatalysatorschicht 18 entsprechend einem breiten Bereich A1 zwischen den zwei Vorsprüngen 22b zugeführt, welche an der äußersten Stelle der geraden Nuten 22c positioniert sind. Dies setzt die Leistungserzeugungseffizienz herab. Anders formuliert wird, da jede gerade Nut 22c durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert werden könnte, die Anzahl an geraden Nuten 22c, welche durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert werden, zunehmen, da die Menge des erzeugten Wassers und Befeuchtungswassers größer wird und die Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz wird kein Ende nehmen.
-
Zudem wird die Fortsetzung der Leistungserzeugung unter den gestapelten Leistungserzeugungszellen 12, welche in 13 gezeigt sind, unmöglich, wenn beispielsweise das zurückgehaltene Wasser W in allen Durchgängen T, F, einer bestimmten Leistungserzeugungszelle 12 bleibt und die Zuführung von Brenngas und Oxidationsgas verhindert wird und die Leistungserzeugungszellen 12 nicht fähig sind Leistung zu erzeugen. Dies liegt daran, dass die jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 des Brennstoffzellenstapels 11 elektrisch in Reihe geschaltet sind.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzelle zu liefern, welche zum Verhindern einer Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz fähig ist.
-
Einrichtungen zum Lösen der Probleme
-
Um die vorangehende Aufgabe zu erfüllen und nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle geliefert, welche in Anspruch 1 definiert ist.
-
Die Gasdurchgänge sind vorzugsweise parallel angeordnet und die Querschnittsflächen des ersten und zweiten Gasdurchgangs unterscheiden sich vorzugsweise voneinander.
-
Der erste Gasdurchgang ist vorzugsweise ein gerader Gasdurchgang mit einem geringen Strömungswiderstand des Gases und der zweite Gasdurchgang ist vorzugsweise ein sich schlängelnder Durchgang mit einem größeren Strömungswiderstand als der Strömungswiderstand des ersten Gasdurchgangs.
-
Ein entsprechender Separator des Separatorenpaars gerät erfindungsgemäß mit der Oberfläche aller Elemente zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs in Kontakt. Alle Elemente zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs enthalten einen flachen Teil und eine Vielzahl an Vorsprüngen, welche mit dem flachen Teil einstückig ausgebildet sind und zum Ausbilden der Gasdurchgänge verwendet werden. Eine Vielzahl an Wasserdurchgängen ist zwischen dem Separator und dem flachen Teil ausgebildet; alle Wasserdurchgänge und zumindest einer der Gasdurchgänge über eine Verbindungsöffnung, welche in dem Element zum Ausbilden eines Gasdurchgangs ausgebildet ist, in Verbindung stehen; die Tiefe aller Wasserdurchgänge eingestellt ist weniger als die Tiefe aller Gasdurchgänge zu betragen; und Wasser, welches basierend auf einer Reaktion des Brenngases und Oxidationsgases erzeugt wird, basierend auf einer Kapillarwirkung durch die Verbindungsöffnung aus allen Gasdurchgängen in den Wasserdurchgang gezogen und basierend auf dem Fließdruck des Gases zum Ablassdurchgang abgelassen wird.
-
Es wird bevorzugt, dass: der Ablassdurchgang eine Innenwand enthält; alle Wasserdurchgänge eine Öffnung auf der stromabwärts gelegenen Seite in Strömungsrichtung des Gases enthalten; sich die Öffnung zur Innenwand des Ablassdurchgangs erstreckt; und im Ablassdurchgang ein Beschränkungsteil zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases an einer Position ausgebildet ist, welche der Öffnung aller Wasserdurchgänge entspricht.
-
Ein Gasdurchgang, welcher sich durch den flachen Teil und den Separator erstreckt, ist vorzugsweise an einem Abschnitt stromabwärts in Strömungsrichtung des Gases aller Wasserdurchgänge des flachen Teils und Separators des Elementes zum Ausbilden eines Gasdurchgangs ausgebildet und der Gasdurchgang steht vorzugsweise mit dem Ablassdurchgang in Verbindung und dient als Beschränkungsteil zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases.
-
(Betrieb)
-
Bei der vorliegenden Erfindung haften Sickerwasser und Befeuchtungswasser, welche während der Leistungserzeugung erzeugt werden, als zurückgehaltenes Wasser an dem Durchgang mit einem größeren Strömungswiderstand unter der Vielzahl an Durchgängen an. Dennoch wird die Zuführung des Gases zur Elektrodenkatalysatorschicht angemessen durchgeführt, da das Sickerwasser und Befeuchtungswasser kaum in einem Durchgang mit einem geringen Strömungswiderstand bleiben. Folglich wird es möglich den Bereich zu verringern, in welchem die Zuführung des Gases zur Elektrodenkatalysatorschicht verhindert wird, und die Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz zu verhindern.
-
EFFEKTE DER ERFINDUNG
-
Nach der vorliegenden Erfindung wird Gas zur Elektrodenkatalysatorschicht angemessen zugeführt und es ist möglich die Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz zu unterbinden sowie zu verhindern, dass die Leistungserzeugung aufhört.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine Querschnittsansicht, welche entlang der Linie 1-1 der 13 genommen wurde und eine Brennstoffzelle nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
2 ist eine entlang der Linie 2-2 der 13 genommene Querschnittsansicht, welche Leistungserzeugungszellen zeigt, welche die Brennstoffzelle ausbilden;
-
3 ist eine Perspektivansicht, welche ein erstes und zweites Element zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs zeigt;
-
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils der Leistungserzeugungszellen;
-
5 ist eine perspektivische Teilansicht, welche ein erstes Element zum Ausbilden eines Gasdurchgangs und einen Separator einer Brennstoffzelle nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
6 ist eine perspektivische Teilansicht, welche ein zweites Element zum Ausbilden eines Gasdurchgangs und einen Separator einer Brennstoffzelle nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
7 ist eine entlang der Linie 1-1 der 13 genommene Querschnittsansicht, welche die die Brennstoffzelle ausbildenden Leistungserzeugungszellen nach der zweiten Ausführungsform zeigt;
-
8 ist eine Teildraufsicht, welche das erste und zweite Element zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs der Leistungserzeugungszellen der 7 zeigt;
-
9 ist eine entlang der Linie 2-2 der 13 genommene Querschnittsansicht, welche die Brennstoffzelle ausbildende Leistungserzeugungszellen nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
10 ist eine entlang der Linie 1-1 der 13 genommene Querschnittsansicht, welche die Brennstoffzelle ausbildende Leistungserzeugungszellen nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
11 ist eine Perspektivansicht, welche das erste und zweite Element zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
-
12 ist eine Perspektivansicht, welche das erste und zweite Element zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
-
13 ist eine Perspektivansicht, welche einen Brennstoffzellenstapel zeigt;
-
14 ist eine entlang der Linie 2-2 der 13 genommene Querschnittsansicht, welche Leistungserzeugungszellen eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels zeigt;
-
15 ist eine Perspektivansicht, welche herkömmliche erste und zweite Elemente zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs zeigt; und
-
16 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht, welche herkömmliche Leistungserzeugungszellen zeigt.
-
AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
-
(Erste Ausführungsform)
-
Eine Brennstoffzelle nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun in Bezug auf die 1 bis 4 und 13 beschrieben werden.
-
Wie in 13 gezeigt, ist ein Brennstoffzellenstapel 11 der ersten Ausführungsform eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle und enthält eine Vielzahl an gestapelten Leistungserzeugungszellen 12.
-
Wie in 1 gezeigt, enthalten die jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 quadratische erste und zweite Rahmen 13, 14 und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 15 als Elektrodenstruktur, welche sich in dem ersten und zweiten Rahmen 13, 14 befindet. Der erste und zweite Rahmen 13, 14 bestehen aus einem Kunstharz, wie beispielsweise synthetischer Kautschuk. Durchgangsräume 13a des Brenngases sind in dem ersten Rahmen 13 definiert und Durchgangsräume 14a des Oxidationsgases sind in dem zweiten Rahmen 14 definiert. Die MEA 15 befindet sich zwischen dem ersten und zweiten Rahmen 13, 14.
-
Die jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 enthalten, wie in den 1 und 2 gezeigt, ein erstes Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs, welches in einem Durchgangsraum 13a des Brenngases untergebracht ist, und ein zweites Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs, welches im Durchgangsraum 14a des Oxidationsgases untergebracht ist. Das erste Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs besteht aus ferritischem SUS (rostfreier Stahl), einer Titanlegierung oder Kohlenstoff. Das zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs besteht aus ferritischem SUS (rostfreier Stahl), einer Titanlegierung, Kohlenstoff, einer vergoldeten Titanlegierung oder Goldlegierung. Zudem enthalten die jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 einen flachen ersten Separator 23 und einen zweiten Separator 24. Der erste Separator 23 und zweite Separator 24 bestehen aus ferritischem SUS (rostfreier Stahl), einer Titanlegierung oder Kohlenstoff. Der erste Separator 23 ist über den ersten Rahmen 13 und einen Dichtungsring (nicht gezeigt) des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verbunden. Der zweite Separator 24 ist über den Rahmen 14 und einen Dichtungsring (nicht gezeigt) des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verbunden.
-
Die MEA 15 ist durch eine Festelektrolytmembran 16, eine erste Elektrodenkatalysatorschicht 17, eine zweite Elektrodenkatalysatorschicht 18 und eine erste Gasdiffusionsschicht 19 und zweite Gasdiffusionsschicht 20, welche leitfähig sind, ausgebildet. Die erste Elektrodenkatalysatorschicht 17 ist aus einer Anodenoberfläche der Elektrolytmembran 16, d. h. einem auf die Oberseite geschichteten Katalysator, wie in der Zeichnung gezeigt, ausgebildet. Die zweite Elektrodenkatalysatorschicht 18 ist aus einer Kathodenoberfläche der Elektrolytmembran 16, d. h. einem auf die Unterseite geschichteten Katalysator, wie in der Zeichnung gezeigt, ausgebildet. Die Gasdiffusionsschichten 19, 20 geraten jeweils mit der Oberfläche der Elektrodenkatalysatorschichten 17, 18 in Kontakt.
-
Die Festelektrolytmembran 16 ist aus einer fluorierten Polymermembran ausgebildet. Die jeweiligen Elektrodenkatalysatorschichten 17, 18 enthalten Kohlenstoffpartikel (nicht gezeigt). Zahlreiche Katalysatorpartikel, welche aus Platin (Pt) bestehen, haften an der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel an. Die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle kann durch Verwenden der Katalysatorwirkung der Katalysatorpartikel verbessert werden. Die jeweiligen Gasdiffusionsschichten 19, 20 sind durch Kohlepapier ausgebildet.
-
Nun werden das erste und zweite Element 21, 22 zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs beschrieben werden. Das erste Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs, welches auf der Anodenseite positioniert ist, und das zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs, welches auf der Kathodenseite positioniert ist, weisen die gleiche Struktur auf, aber die Einbaurichtung des ersten und zweiten Elementes 21, 22 zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs unterscheidet sich beispielsweise durch 90°. Die Einbaurichtungen des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs und zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs können gleiche oder entgegengesetzte Richtungen sein. Die jeweiligen ersten Elemente 21 zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs sind, wie in den 1 und 3 gezeigt, aus einem Basisplattenabschnitt 21a, welcher mit dem ersten Separator 23 in Kontakt gerät, und einer Vielzahl an parallelen Vorsprüngen 21b vorgesehen, welche mit der Oberfläche des Basisplattenabschnitts 21a einstückig ausgebildet sind. Eine erste gerade Nut 21c und zweite gerade Nut 21d, welche jeweils einen ersten Gasdurchgang T1 und zweiten Gasdurchgang T2 des Brenngases ausbilden, sind zwischen den angrenzenden Vorsprüngen 21b infolgedessen ausgebildet, da dieselben durch die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 19 verschlossen sind. Das zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs ist durch einen Basisplattenabschnitt 22a, welcher mit dem zweiten Separator 24 in Kontakt gerät, und eine Vielzahl an parallelen Vorsprüngen 22b ausgebildet, welche mit der Oberfläche des Basisplattenabschnitts 22a einstückig ausgebildet sind. Eine erste gerade Nut 22c und zweite gerade Nut 22d, welche jeweils einen ersten Durchgang F1 und zweiten Durchgang F2 des Oxidationsgases ausbilden, sind zwischen den angrenzenden Vorsprüngen 22d infolgedessen ausgebildet, da dieselben durch die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 20 verschlossen sind.
-
Wie in 4 gezeigt, werden die Tiefen d1, d2 aller ersten und zweiten geraden Nuten 21c, 21d (22c, 22d) gleich eingestellt und die Breite w1 der ersten geraden Nut 21c (22c) eingestellt schmäler als die Breite w2 der zweiten geraden Nut 21d (22d) zu sein. Folglich ist die Querschnittsfläche S1 des Brenngases oder Oxidationsgases des ersten Gasdurchgangs T1 (F1) eingestellt schmal zu sein, um den Strömungswiderstand des Gases zu erhöhen. Die Querschnittsfläche S2 des Brenngases oder Oxidationsgases des zweiten Gasdurchgangs T2 (F2) ist eingestellt breit zu sein, so dass der Strömungswiderstand des Gases geringer als der Strömungswiderstand des ersten Gasdurchgangs T1 (F1) ist.
-
Wie in 2 gezeigt, sind ein Zuführdurchgang M1 und Ablassdurchgang M2 auf dem ersten und zweiten Rahmen 13, 14 und dem ersten und zweiten Separator 23, 24 der jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet. Der Zuführdurchgang M1 ist zum Zuführen von Brenngas oder Wasserstoffgas zu den Durchgängen T1, T2 von einer Brenngasversorgungsquelle (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein Wasserstoffgaszylinder, vorgesehen. Der Ablassdurchgang M2 ist zum Ablassen des Brennstoffabgases, welches nicht zur Leistungserzeugung verwendet wurde, zur Außenseite der Leistungserzeugungszellen 12 vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, sind ein Zuführdurchgang R1 und ein Ablassdurchgang R2 auf dem ersten und zweiten Rahmen 13, 14 und dem ersten und zweiten Separator 23, 24 der jeweiligen Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet. Der Zuführdurchgang R1 ist zum Zuführen von Oxidationsgas oder Luft von einer Oxidationsgasversorgungsquelle (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein Kompressor, zu den Durchgängen F1, F2 vorgesehen. Der Ablassdurchgang R2 ist zum Ablassen des Oxidationsabgases, welches nicht zur Leistungserzeugung verwendet wurde, zur Außenseite der Leistungserzeugungszellen 12 vorgesehen.
-
Der Betrieb der Brennstoffzelle mit der vorangehenden Konfiguration wird nun beschrieben werden.
-
In 2 wird Brenngas oder Wasserstoffgas, welches durch eine Befeuchtungsvorrichtung (nicht gezeigt) befeuchtet wurde, vom Zuführdurchgang M1 in die Durchgänge T1, T2 (siehe 1) des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs zugeführt und strömt in Pfeilrichtung. Das Brenngas wird infolge des Passierens durch die erste Gasdiffusionsschicht 19 in die Durchgänge T1, T2 diffundiert und der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 gleichmäßig zugeführt. In 1 wird Oxidationsgas oder Sauerstoffgas, welches durch eine Befeuchtungsvorrichtung (nicht gezeigt) befeuchtet wurde, den Durchgängen F1, F2 (siehe 2) des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs durch den Zuführdurchgang R1 zugeführt und strömt in Pfeilrichtung. Das Oxidationsgas wird infolge des Passierens durch die zweite Gasdiffusionsschicht 20 in die Durchgänge F1, F2 diffundiert und der Elektrodenkatalysatorschicht 18 gleichmäßig zugeführt. Infolge des Zuführens des Brenngases und Oxidationsgases wird eine Elektrodenreaktion in der MEA 15 erzeugt und dadurch Leistung erzeugt. Folglich wird die beabsichtigte Leistung vom Brennstoffzellenstapel 11 abgegeben, welcher durch die Vielzahl an gestapelten Leistungserzeugungszellen 12 ausgebildet ist.
-
Ein Teil des Brenngases, welches nicht für die Leistungserzeugung verwendet wurde, wird als Brennstoffabgas zur Außenseite des Zellenstapels 11 durch den Ablassdurchgang M2 aus den Durchgängen T1, T2 des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs abgelassen. Das Oxidationsgas, welches nicht für die Leistungserzeugung verwendet wurde, wird als Oxidationsabgas zur Außenseite des Zellenstapels 11 durch den Ablassdurchgang R2 aus dem ersten und zweiten Durchgang F1, F2 abgelassen.
-
Basierend auf der vorangehenden Elektrodenreaktion in der MEA 15 wird Wasser in den Durchgängen F1, F2 des kathodenseitigen zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs erzeugt. Das erzeugte Wasser wird zusammen mit dem Befeuchtungswasser basierend auf dem Fließdruck des Oxidationsgases, welches in dem ersten und zweiten Durchgang F1, F2 strömt, zum Ablassdurchgang R2 abgelassen. Ein Teil des erzeugten Wassers sickert in die Kathodenseite der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 18, die Festelektrolytmembran 16, die erste Elektrodenkatalysatorschicht 17 und die erste Gasdiffusionsschicht 19 und fließt als Sickerwasser in die Durchgänge T1, T2 des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs. Das Sickerwasser wird zusammen mit dem Befeuchtungswasser basierend auf dem Fließdruck des Brenngases, welches in den Durchgängen T1, T2 strömt, zum Ablassdurchgang M2 abgelassen.
-
Der größte Teil des erzeugten Wassers und Befeuchtungswassers in dem ersten und zweiten Durchgang F1, F2 des kathodenseitigen zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs wird basierend auf dem Fließdruck des Oxidationsgases zum Durchgang R2 zum Ablassen des Oxidationsgases abgelassen. Das restliche erzeugte Wasser und Befeuchtungswasser wirken zum Anhaften an der Wandoberfläche im ersten und zweiten Durchgang F1, F2. Die Querschnittsfläche S1 des ersten Durchgangs F1 ist eingestellt schmal zu sein. Folglich tendieren das erzeugte Wasser und Befeuchtungswasser aufgrund der Oberflächenspannung derselben dazu zu bleiben und das zurückgehaltene Wasser W dazu an einem großen Teil der Innenwandfläche des ersten Durchgangs F1 anzuhaften und auf demselben zu bleiben, wie in 4 gezeigt. Trotzdem ist die Querschnittsfläche S2 des zweiten Durchgangs F2 eingestellt breiter als die Querschnittsfläche S1 des ersten Durchgangs F1 zu sein. Folglich ist es für das zurückgehaltene Wasser W schwierig im zweiten Durchgang F2 zu beleiben und das zurückgehaltene Wasser wird durch den Fließdruck des Oxidationsgases ausgewaschen und bleibt kaum im zweiten Durchgang F2. Folglich wird die Zuführung von Sauerstoff zur zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 18 entsprechend dem ersten Durchgang F1, welcher durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert ist, unausreichend und die Erzeugung von Leistung teilweise unmöglich. Da die Zuführung von Oxidationsgas zur zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 18 durch den zweiten Durchgang F2 angemessen ausgeführt wird, ist es trotzdem möglich die Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz zu verhindern.
-
Mit anderen Worten wird, wie in 4 gezeigt, wenn ein erster Durchgang F1 durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert ist, die Gasdiffusionsschicht 19 durch die zwei Vorsprünge 22b und das zurückgehaltene Wasser W geschützt und der Bereich, in welchem keine Leistung erzeugt werden kann, ist der Bereich, welcher als A1 gezeigt ist. Da der zweite Durchgang F2 durch das zurückgehaltene Wasser W nicht blockiert werden wird, ist ein Bereich A2, welcher breiter als der Bereich A1 ist, der Bereich, in welchem immer Leistung erzeugt werden kann.
-
Indessen werden das Sickerwasser und Befeuchtungswasser im ersten und zweiten Durchgang T1, T2 des anodenseitigen ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs basierend auf dem Fließdruck des Brenngases zum Durchgang M2 zum Ablassen von Brenngas abgelassen. Das restliche Sickerwasser und Befeuchtungswasser wirken zum Anhaften an der Innenwandfläche des ersten und zweiten Durchgangs T1, T2. Da die Querschnittsfläche S1 des ersten Gasdurchgangs T1 eingestellt ist schmal zu sein, werden das Sickerwasser und Befeuchtungswasser aufgrund der Oberflächenspannung derselben zum zurückgehaltenen Wasser W und tendieren dazu an einer großen Fläche der Innenwandfläche des ersten Gasdurchgangs T1 anzuhaften und auf derselben zu bleiben. Da die Querschnittsfläche S2 des zweiten Gasdurchgangs T2 eingestellt ist breiter als die Querschnittsfläche S1 des ersten Gasdurchgangs T1 zu sein, ist es für das zurückgehaltene Wasser W trotzdem schwierig in dem zweiten Gasdurchgang T2 zu bleiben und das zurückgehaltene Wasser W wird durch den Fließdruck des Brenngases ausgewaschen und bleibt kaum im zweiten Gasdurchgang T2. Folglich wird die Zuführung von Brenngas zur ersten Elektrodenkatalysatorschicht 18 durch den zweiten Gasdurchgang T2 angemessen ausgeführt und es ist möglich die Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz zu verhindern.
-
Nach der Brennstoffzelle der ersten Ausführungsform werden die folgenden Vorteile geliefert.
- (1) Die Querschnittsfläche S1 des ersten Gasdurchgangs T1 des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs ist eingestellt schmal zu sein und die Querschnittsfläche S2 des zweiten Durchgangs T2 ist eingestellt breiter als die Querschnittsfläche S1 des ersten Durchgangs T1 zu sein. Zudem ist die Querschnittsfläche S1 des ersten Durchgangs F1 des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs eingestellt schmal zu sein und die Querschnittsfläche S2 des zweiten Durchgangs F2 eingestellt breiter als die Querschnittsfläche S1 des ersten Durchgangs F1 zu sein. Wie oben beschrieben wurde, haften das Sickerwasser/Befeuchtungswasser und das erzeugte Wasser/Befeuchtungswasser zwar an dem anodenseitigen ersten Durchgang T1 und dem kathodenseitigen ersten Durchgang F1 als zurückgehaltenes Wasser W an, aber es ist folglich möglich zu verhindern, dass das zurückgehaltene Wasser W am zweiten Durchgang T2 und zweiten Durchgang F2 anhaftet. Folglich ist es möglich eine Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz durch Verhindern der Abnahme der Zuführung von Brenngas zur ersten Gasdiffusionsschicht 19 und ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 und der Zuführung von Oxidationsgas zur zweiten Gasdiffusionsschicht 20 und zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 18 zu verhindern.
- (2) Selbst wenn der größte Teil des ersten Durchgangs T1 auf der Anodenseite der Leistungserzeugungszelle 12 durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert wird, wird das Brenngas durch den größten Teil des zweiten Durchgangs T2 zugeführt. Selbst wenn der größte Teil des ersten Durchgangs F1 auf der Kathodenseite durch das zurückgehaltene Wasser W blockiert wird, wird zudem das Oxidationsgas durch den größten Teil des zweiten Durchgangs F2 zugeführt. Folglich ist es möglich die Nicht-Zuführung des Brenngases und Oxidationsgases zur gesamten Fläche der ersten und zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 17, 18 einer Leistungserzeugungszelle 12 zu verhindern und dadurch zu verhindern, dass die Leistungserzeugungszelle 12 in einen Zustand verfällt, in welchem dieselbe nicht fähig ist Leistung zu erzeugen, und folglich zu verhindern, dass die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 11 aufhört.
- (3) Eine einfache Konfiguration zum Ändern der Breiten w1, w2 der ersten und zweiten geraden Nuten 21c, 21d des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs bzw. der ersten und zweiten geraden Nuten 22c, 22d des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs wird verwendet. Folglich können das erste und zweite Element 21, 22 zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs leicht hergestellt und die Produktionskosten verringert werden.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Eine Brennstoffzelle nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun in Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben werden. In den folgenden Ausführungsformen werden Bauteilen mit ähnlichen Funktionen wie jene in der ersten Ausführungsform die gleichen Bezugsnummer gegeben und eine Beschreibung derselben ausgelassen werden. In erster Linie werden die Operationen und Vorteile der Bauteile, welche sich von denen in der ersten Ausführungsform unterscheiden, erörtert.
-
Wie in den 5 und 7 gezeigt, enthält das erste Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs ein flaches Material 25 und eine Vielzahl an ersten Vorsprüngen 26a und eine Vielzahl an zweiten Vorsprüngen 26b sind an zahlreichen Stellen auf dem flachen Material 25 in einer Weise ausgebildet, dass dieselben abgeschnitten und erhöht sind. Die ersten Vorsprünge 26a und die zweiten Vorsprünge 26b sind jeweils Vorsprünge zum Ausbilden des Durchgangs T und stehen zur ersten Gasdiffusionsschicht 19 hervor (siehe 7). Infolge der ersten Vorsprünge 26a und zweiten Vorsprünge 26b, welche jeweils mit der ersten Gasdiffusionsschicht 19 in Kontakt geraten, wird der Brenngasdurchgang T zwischen dem flachen Material 25 und der ersten Gasdiffusionsschicht 19 ausgebildet. Der Durchgang T dient auch als Durchgangsraum 13a. Wenn in Richtung Q betrachtet, welche zu einer Gasströmungsrichtung P1 orthogonal ist, sind die ersten Vorsprünge 26a halbkreisförmig. Da die zweiten Vorsprünge 26b eine flache Trapezform aufweisen, ist die Kontaktfläche der zweiten Vorsprünge 26b und der Gasdiffusionsschicht 20 breit.
-
Zudem ist auf dem flachen Material 25 eine Vielzahl an kleinen und niedrigen dritten Vorsprüngen 27 auf eine Weise ausgebildet, um den ersten und zweiten Vorsprüngen 26a, 26b zu entsprechen und um relativ zur Gasströmungsrichtung P1 stromaufwärts positioniert zu sein. Die jeweiligen dritten Vorsprünge 27 sind Vorsprünge zum Ausbilden des Wasserdurchgangs 28 und werden stranggepresst, um zum ersten Separator 23 hervorzustehen, wie in den 5 und 7 gezeigt. Infolge der jeweiligen dritten Vorsprünge 27, welche mit dem ersten Separator 23 in Kontakt geraten, ist eine Vielzahl an Wasserdurchgängen 28 zwischen dem flachen Material 25 und dem ersten Separator 23 ausgebildet. Eine Verbindungsöffnung 29, welche sich durch die ersten und zweiten Vorsprünge 26a, 26b in Richtung Q erstreckt, welche zur Gasströmungsrichtung P1 orthogonal ist, ist in den ersten Vorsprüngen 26a bzw. zweiten Vorsprüngen 26b ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Verbindungsöffnung 29 ausgebildet, wenn aus der Gasströmungsrichtung P1 betrachtet, um sich jeweils an zwei Stellen, d. h. der linken Seite und der rechten Seite, der jeweiligen ersten Vorsprünge 26a und an zwei Stellen, d. h. der linken Seite und der rechten Seite, der jeweiligen zweiten Vorsprünge 26b zu öffnen. Der Durchgang T und der Wasserdurchgang 28 befinden sich basierend auf der Verbindungsöffnung 29 in wechselseitiger Verbindung.
-
Die halbkreisförmigen ersten Vorsprünge 26a sind in einem vorbestimmten Abstand in der Gasströmungsrichtung P1 angeordnet, wie in den 5 und 7 gezeigt. Die zweiten Vorsprünge 26b mit der flachen Trapezform sind in einem vorbestimmten Abstand in der Gasströmungsrichtung P1 linear angeordnet. Das Paar der ersten und zweiten Vorsprünge 26a, 26b, welche in Bezug auf die Richtung Q aneinander angrenzen, welche zur Gasströmungsrichtung P1 orthogonal ist, ist derart angeordnet, wie in 8 gezeigt, dass eine Mitte O2 des zweiten Vorsprungs 26b und eine Mitte O1 des ersten Vorsprungs 26a in Bezug auf die Gasströmungsrichtung P1 miteinander übereinstimmen. Ein streifenförmiger, flacher Teil 25a ohne die ersten und zweiten Vorsprünge 26a, 26b relativ zur Gasströmungsrichtung P1 ist zwischen den angrenzenden Reihen der zweiten Vorsprünge 26b ausgebildet, welche sich in Gasströmungsrichtung P1 erstrecken. Der Durchgang T enthält einen streifenförmigen, geraden Durchgang Ts mit einem geringen Gasströmungswiderstand zwischen dem streifenförmigen, flachen Teil 25a und dem ersten Separator 23. Der Durchgang T enthält separat vom vorangehenden geraden Durchgang Ts einen sich schlängelnden Durchgang Td mit einem großen Gasströmungswiderstand. Der sich schlängelnde Durchgang Td ist durch einen sich schlängelnden, flachen Teil 25b, welcher zwischen dem ersten Vorsprung 26a und zweiten Vorsprung 26b ausgebildet ist, und dem ersten Separator 23 ausgebildet.
-
Das kathodenseitige zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs weist die gleiche Struktur wie das erste Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs auf, welches in 6 gezeigt ist, aber die Oxidationsgasströmungsrichtung P2 unterscheidet sich von der Brenngasströmungsrichtung P1 durch 90°. Mit anderen Worten ist die Oxidationsgasströmungsrichtung P2 zur Brenngasströmungsrichtung P1 des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs orthogonal. Der Durchgang F, welcher dem Durchgang T des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs entspricht, enthält einen geraden Durchgang Fs, welcher dem geraden Durchgang Ts entspricht, und einen sich schlängelnden Durchgang Fd, welcher dem sich schlängelnden Durchgang Td entspricht, aber es werden die gleichen Bezugsnummern gegeben und eine Erläuterung derselben wird ausgelassen.
-
In der zweiten Ausführungsform wird die Höhe des Abschnittes, welcher vom streifenförmigen, flachen Teil 25a der ersten Vorsprünge 26a und zweiten Vorsprünge 26b hervorsteht, d. h. die Tiefe des geraden Durchgangs Ts (Fs) und des sich schlängelnden Durchgangs Td (Fd), eingestellt innerhalb des Bereiches von 30 μm bis 1000 μm, vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 30 μm bis 300 μm zu liegen und beispielsweise auf 200 μm eingestellt. Die Höhe des Abschnittes, welcher vom streifenförmigen, flachen Teil 25a der dritten Vorsprünge 27 hervorsteht, d. h. die Tiefe des Wasserdurchgangs 28, wird eingestellt innerhalb des Bereiches von 10 μm bis 50 μm zu liegen und wird beispielsweise auf 30 μm eingestellt. Da die jeweiligen Wasserdurchgänge 28 schlitzförmig ausgebildet sind und die Tiefe des jeweiligen Wasserdurchgangs 28 ausgebildet ist flacher als die Tiefe des geraden Durchgangs Ts (Fs) und des sich schlängelnden Durchgangs Td (Fd) zu sein, ist es leichter, dass das Wasser in dem geraden Durchgang Ts (Fs) und dem sich schlängelnden Durchgang Td (Fd) basierend auf der Kapillarwirkung des schlitzförmigen Wasserdurchgangs 28 durch die Verbindungsöffnung 29 in den Wasserdurchgang 28 gezogen wird. Die Breite D des in 8 gezeigten streifenförmigen, flachen Teils 25a wird eingestellt innerhalb des Bereiches von 100 μm bis 300 μm zu liegen und die Breite E des flachen Teils 25b wird eingestellt innerhalb des Bereiches von 50 μm bis 150 μm zu liegen.
-
Die Betätigung der Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform wird nun beschrieben werden.
-
In 7 bewegt sich der größte Teil des Brenngases, welches das vom Zuführdurchgang M1 zum in den 5 und 8 gezeigten geraden Durchgang Ts während der Leistungserzeugung zugeführte Befeuchtungswasser enthält, in einer geraden Linie vorwärts, wie mit dem Pfeil mit der gestrichelten Linie der 8 gezeigt, und ein Teil des Brenngases gerät mit der Oberfläche der linken und rechten zweiten Vorsprünge 26b auf der stromaufwärts gelegenen Seite in Kontakt. Das Befeuchtungswasser und Sickerwasser, welche in dem Brenngas enthalten sind, welches mit der Oberfläche in Kontakt gerät ist, haften als das zurückgehaltene Wasser W an dieser Oberfläche an und nehmen auf derselben zu. Das zurückgehaltene Wasser W wird durch den Fließdruck des Brenngases gedrückt und der größte Teil dieses Brenngases gelangt durch die Verbindungsöffnung 29 des zweiten Vorsprungs 26b in die Innenseite des zweiten Vorsprungs 26b und gelangt basierend auf der Kapillarwirkung des Wasserdurchgangs 28 in den Wasserdurchgang 28. Das Wasser, welches in den Wasserdurchgang 28 gelangt ist, bewegt sich aufgrund des Fließdrucks des Brenngases zur stromabwärts gelegenen Seite.
-
Indessen schlängelt sich der größte Teil des Brenngases, welches das zum sich schlängelnden Durchgang Td zugeführte Befeuchtungswasser enthält, wie mit dem Pfeil mit der gestrichelten Linie der 8 gezeigt und gerät mit der Oberfläche des ersten Vorsprungs 26a auf der stromaufwärts gelegenen Seite in Kontakt. Das Befeuchtungswasser und Sickerwasser, welche in dem Brenngas enthalten sind, welches mit der Oberfläche in Kontakt geraten ist, haften als zurückgehaltenes Wasser W auch an dieser Oberfläche an und nehmen auf derselben zu. Das zurückgehaltene Wasser W wird durch den Fließdruck des Brenngases gedrückt und gelangt durch die linken und rechten Verbindungsöffnungen 29 des ersten Vorsprungs 26a in die Innenseite des ersten Vorsprungs 26a und gelangt basierend auf der Kapillarwirkung des Wasserdurchgangs 28 in den Wasserdurchgang 28. Das Wasser, welches in den Wasserdurchgang 28 gelangt ist, bewegt sich aufgrund des Fließdrucks des Brenngases auch zur stromabwärts gelegenen Seite.
-
Vorteile der zweiten Ausführungsform werden nun beschrieben werden.
- (1) Zwei Arten an Durchgängen, d. h. ein gerader Durchgang Ts (Fs) mit einem geringen Druckverlust, welcher zum Verhindern des Anhaftens des zurückgehaltenen Wassers fähig ist, und ein sich schlängelnder Durchgang Td (Fd) mit einem hohen Druckverlust, an welchem das zurückgehaltene Wasser dazu tendiert anzuhaften, sind auf dem ersten und zweiten Element 21, 22 zum Ausbilden eines Gasströmungsdurchgangs ausgebildet. Selbst dann, wenn das zurückgehaltene Wasser in dem sich schlängelnden Durchgang Td (Fd) bleibt und das Brenngas und Oxidationsgas einem Teil der Elektrodenkatalysatorschichten 17, 18 nicht zugeführt werden, werden folglich das Brenngas und Oxidationsgas vom geraden Durchgang Ts (Fs) den Elektrodenkatalysatorschichten 17, 18 zugeführt. Folglich ist es möglich eine Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz zu verhindern. Zudem ist es möglich die Nicht-Erzeugung von Leistung durch die Leistungserzeugungszelle 12 zu verhindern und zu verhindern, dass die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 aufhört.
- (2) Eine Vielzahl an Wasserdurchgängen 28 ist zwischen dem flachen Material 25 und dem ersten Separator 23 des anodenseitigen ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs ausgebildet. Die Tiefe der jeweiligen Wasserdurchgänge 28 wird eingestellt flacher als die Tiefe des Durchgangs T zu sein. Das Sickerwasser und Befeuchtungswasser im Durchgang T, welcher zwischen dem flachen Material 25 und der ersten Gasdiffusionsschicht 19 ausgebildet ist, werden basierend auf einer Kapillarwirkung über die im ersten Vorsprung 26 ausgebildete Verbindungsöffnung 29 zum Wasserdurchgang 28 geleitet. Das Sickerwasser und Befeuchtungswasser, welche in den Wasserdurchgang 28 geleitet wurden, werden durch den Fließdruck des Brenngases zum Brenngasablassdurchgang M2 abgelassen. Da das Brenngas basierend auf dieser Art von Konfiguration zur ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 angemessen zugeführt wird, kann der Wasserstoffmangelzustand der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 vermieden werden und die Leistungserzeugungseffizienz wird sich verbessern.
-
Zudem wird das Wasser im Wasserdurchgang 28 zum Brenngasablassdurchgang M2 abgelassen. Da das Sickerwasser und Befeuchtungswasser daran gehindert werden im Durchgang T zu bleiben und der Druckverlust des im Durchgang T strömenden Brenngases verringert wird, welcher durch Wasser, wie beispielsweise Sickerwasser und Befeuchtungswasser, erzeugt wird, wird sich folglich die Leistungserzeugungseffizienz verbessern. Zudem ist es möglich den Potentialanstieg der anodenseitigen ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 zu verhindern, welcher durch den Wasserstoffmangelzustand der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 verursacht wird. Da die Korrosion des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verhindert wird, kann folglich die Haltbarkeit des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verbessert werden. Folglich wird der Standard zum Auswählen des Materials des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs freigegeben und kostengünstige Materialen können als Material des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs verwendet werden, wodurch die Materialkosten verringert werden können.
- (3) Eine Vielzahl an Wasserdurchgängen 28 ist zwischen dem flachen Material 25 und dem zweiten Separator 24 des kathodenseitigen zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs vorgesehen. Folglich werden das erzeugte Wasser und Befeuchtungswasser im Durchgang F des kathodenseitigen zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs zum Oxidationsgasablassdurchgang R2 durch den Wasserdurchgang 28 abgelassen. Da verhindert wird, dass das erzeugte Wasser und Befeuchtungswasser im Durchgang F des zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs bleiben, und der Druckverlust des in dem Durchgang F strömenden Oxidationsgases verringert wird, welcher durch das erzeugte Wasser erzeugt wird, wird sich folglich die Leistungserzeugungseffizienz verbessern. Da das Oxidationsgas der Elektrodenkatalysatorschicht 18 angemessen zugeführt und ein Oxidationsgasmangelzustand verhindert wird, wird sich zudem die Leistungserzeugungseffizienz verbessern.
- (4) Die innere Umfangsfläche des Innenraums des ersten Vorsprungs 26 ist als halbkreisförmige Oberfläche ausgebildet, wie in den 5 und 6 gezeigt. Folglich gelangen das Sickerwasser und erzeugte Wasser, welche in den Durchgängen Ts (Fs), Td (Fd) erzeugt wurden, in den Innenraum des ersten Vorsprungs 26 und werden als zurückgehaltenes Wasser W stabil gehalten und das Wasserrückhaltevermögen des ersten Vorsprungs 26 kann verbessert werden. Mit anderen Worten tendiert das zurückgehaltene Wasser W, welches an der Oberfläche der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht 19, 20 anhaftet, aufgrund der Oberflächenspannung dazu eine Kugelform anzunehmen und das zurückgehaltene Wasser W kann leichter in den halbkreisförmigen, zylindrischen Innenraum des ersten Vorsprungs 26 fließen. Folglich wird die Zunahme des zurückgehaltenen Wassers W auf der Oberfläche der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht 19, 20 verhindert, das durch Wasser verursachte Gasversorgungsdefizit beseitigt und dadurch die Leistungsfähigkeit der Leistungserzeugung verbessert. Wenn die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle angehalten wird während das zurückgehaltene Wasser W noch an der Oberfläche der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht 19, 20 anhaftet, werden die erste und zweite Gasdiffusionsschicht 19, 20 aufgrund des Wassers teilweise beschädigt. Die vorliegende Ausführungsform kann das Voranschreiten der Beschädigung verhindern und die Haltbarkeit der Diffusionsschichten 19, 20 verbessern.
- (5) Im Vergleich zu einem Separator, welcher nur mit den halbkreisförmigen ersten Vorsprünge 26 durchsetzt ist, ist die Fläche, welche mit der zweiten Gasdiffusionsschicht 20 in Kontakt gerät, aufgrund der flachen Trapezform der zweiten Vorsprünge 26b breiter. Folglich ist es möglich zu verhindern, dass sich die halbkreisförmigen ersten Vorsprünge 26 in die zweite Gasdiffusionsschicht 20 bohren, und der elektrische Widerstand gegen die erzeugte Elektrizität kann verringert werden. Indessen wird auch die Fähigkeit zum Zurückhalten des erzeugten Wassers und Befeuchtungswasser als zurückgehaltenes Wasser durch die Vielzahl an halbkreisförmigen ersten Vorsprüngen 26 verbessert.
- (6) Da der Druckverlust des Gasdurchgangs durch beispielsweise die geraden Durchgänge Ts, Fs verringert werden kann, ist es möglich den Leistungsverlust der peripheren Ausrüstung zum Zuführen von Gas, wie beispielsweise der Kompressor, zu verringern.
-
(Modifikationen)
-
Die vorliegende Erfindung kann auch in die folgenden Ausführungsformen modifiziert werden.
-
Im Brenngasablassdurchgang M2 kann ein Beschränkungsteil zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases ausgebildet sein. Wie in 9 gezeigt, erstreckt sich insbesondere die Öffnung der stromabwärts gelegenen Kante 21e des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs, d. h. die Öffnung auf der stromabwärts gelegenen Seite des Wasserdurchgangs 28, nach oben zur Seitenwand des Ablassdurchgangs M2. Im Ablassdurchgang M2 ist die Wandfläche, welche zur stromabwärts gelegenen Kante 21e weist, mit dem hervorstehenden Teil 13b versehen. Ein Beschränkungsteil 41, welcher nahe der Öffnung auf der stromabwärts gelegenen Seite des Wasserdurchgangs 28 positioniert ist, ist durch den vorangehenden hervorstehenden Teil 13b und die Kante 21e ausgebildet. Die Querschnittsfläche des Ablassdurchgangs M2 im Beschränkungsteil 41 wird schmal und dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases im Beschränkungsteil 41 erhöht. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Wasser angemessener abgelassen, da das im Wasserdurchgang 28 bestehende Wasser aufgrund des Venturi-Effektes des Brenngases mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, welches durch den Beschränkungsteil 41 strömt, zum Ablassdurchgang M2 herausgezogen wird. Wie bei der vorangehenden Konfiguration kann ein Beschränkungsteil auch im Oxidationsgasablassdurchgang R2 ausgebildet werden, um die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases zu erhöhen.
-
Wie in 10 gezeigt, ist es in der zweiten Ausführungsform auch möglich eine Abflussöffnung 35 im zweiten Separator 24 auszubilden und den Gasdurchgang 22e an einer Position vorzusehen, welche der Abflussöffnung 35 entspricht. Basierend auf der vorangehenden Konfiguration werden der Gasdurchgang 22e und die Abflussöffnung 35 mit dem Oxidationsgasablassdurchgang R2 durch den Verbindungsweg 36 in Verbindung stehen und zum Weg des Oxidationsgases werden. Der Gasdurchgang 22e und die Abflussöffnung 35 dienen als der Beschränkungsteil 41 zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Wasser angemessener abgelassen, da das im Wasserdurchgang 28 bestehende Wasser aufgrund des Venturi-Effektes des Oxidationsgases mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, welches durch den Beschränkungsteil 41 strömt, zum Verbindungsweg 36 angemessener herausgezogen wird. Wie bei der vorangehenden Konfiguration kann ein Beschränkungsteil auch im Brenngasablassdurchgang M2 ausgebildet werden, um die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases zu erhöhen.
-
Wie in 11 gezeigt, können die Tiefen d1, d2 der ersten und zweiten geraden Nuten 21c, 21d des ersten Elementes 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs eingestellt sein sich voneinander zu unterscheiden. Folglich wird die Querschnittsfläche S1 des ersten Durchgangs T1 eingestellt schmal zu sein und der Gasströmungswiderstand zunehmen und die Querschnittsfläche S2 des zweiten Durchgangs T2 eingestellt breit zu sein und der Gasströmungswiderstand abnehmen.
-
Wie in 12 gezeigt, kann der erste Durchgang T1 ein sich schlängelnder Durchgang Td mit einem hohen Gasströmungswiderstand in einer Draufsicht sein und der zweite Durchgang T2 ein gerader Durchgang Ts mit einem geringen Gasströmungswiderstand in einer Draufsicht sein. In der vorliegenden Ausführungsform können die Breiten w1, w2 der ersten und zweiten geraden Nuten 21c, 21d und der ersten und zweiten geraden Nuten 22c, 22d auch jeweils gleich sein.
-
Zwar ist es nicht veranschaulicht, aber der Wasserdurchgang 28 kann in der zweiten Ausführungsform nur an der Anodenseite vorgesehen sein. Nach der vorangehenden Konfiguration ist es möglich die Verringerung der Zuführung des Brenngases zur anordnseitigen ersten Elektrodenkatalysatorschicht 17 zu verhindern, die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zu verbessern und die Haltbarkeit des anodenseitigen zweiten Elementes 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs und der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 zu verbessern. Zudem kann der Wasserdurchgang 28 nur an der Kathodenseite vorgesehen sein. Nach der vorangehenden Konfiguration ist es möglich die Verringerung der Zuführung des Oxidationsgases zur Kathodenseite der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 18 zu verhindern und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zu verbessern.
-
Eine Vielzahl an geraden Durchgängen mit einer großen Querschnittsfläche und eine Vielzahl an sich schlängelnden Durchgängen mit einer kleinen Querschnittsfläche können bei Bedarf auch kombiniert werden.
-
Die Querschnittsflächen der Durchgänge können verändert werden drei oder mehr Stufen zu sein. Die Querschnittsflächen können abwechselnd oder mit Regelmäßigkeit oder zufällig verändert werden.
-
Eine Nut zum Verursachen, dass das Kühlwasser durch den ersten und zweiten Separator 23, 24 der Leistungserzeugungszellen 12 strömt, kann auch in der Brennstoffzelle der jeweiligen Ausführungsformen ausgebildet sein.
-
Bei einer Brennstoffzelle, bei welcher der Wasserdurchgang 28 nur auf der Kathodenseite vorgesehen ist, können das anodenseitige erste Element 21 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs und der erste Separator 23 einstückig ausgebildet sein. Zudem können auch der erste Rahmen 13 und der erste Separator 23 unter Verwendung eines Metallmaterials durch beispielsweise Schmieden einstückig ausgebildet sein.
-
Bei einer Brennstoffzelle, bei welcher der Wasserdurchgang 28 nur auf der Anodenseite vorgesehen ist, können das kathodenseitige zweite Element 22 zum Ausbilden eines Gasdurchgangs und der zweite Separator 24 einstückig ausgebildet sein. Zudem können der Rahmen 14 und der zweite Separator 24 unter Verwendung eines Metallmaterials durch beispielsweise Schmieden einstückig ausgebildet sein.
