DE112011105424T5

DE112011105424T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112011105424T5
Application number: DE112011105424.6T
Authority: DE
Inventors: Shigetaka Hamada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2014-04-03
Also published as: CN103636041B; JPWO2013005300A1; US10553881B2; CN103636041A; WO2013005300A1; CA2840020C; CA2840020A1; US20140141350A1; JP5768882B2

Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle geschaffen, deren Ausgangsspannung dadurch verbessert ist, das der Feuchtigkeitszustand einer Membran gleichförmig ist. Eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht (12) und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht (14) sind zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) verbunden und ein Separator (20) ist mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht (12) verbunden. Der Separator (20) besitzt einen vertieften Abschnitt (22) und einen vorspringenden Abschnitt (24), die so gestaltet sind, daß sie einen Gasströmungspfad bzw. einen Kühlmittelströmungspfad bilden. Die Querschnittsfläche des vertiefen Abschnitts (22) ist im Vergleich mit der stromauf gelegenen Seite auf der stromab gelegenen Seite relativ klein und die Querschnittsfläche des vorspringenden Abschnitts (24) ist im Vergleich mit der stromauf gelegenen Seite auf der stromab gelegenen Seite relativ groß, wodurch der Feuchtigkeitszustand verbessert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere die Konstruktion eines Separators.
Stand der Technik
Bei einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wird eine Zelle als geringste Einheit durch sandwichartige Anordnung einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ausgebildet, die aus einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, zusammengefügt ist, die sandwichartig eine aus einer Polymerelektrolytmembran gebildete Elektrolytmembran einschließt, mit zwei Separatoren; wobei eine Mehrzahl von Zellen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels gestapelt sind, um eine hohe Ausgangsleistung anzubieten.
Der von der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Leistung angewandte Funktionsablauf ist gut bekannt und kurzgefaßt wird ein Brenngas, wie ein Wasserstoff enthaltendes Gas, der Brennstoffelektrode (d. h. der Elektrode auf der Anodenseite) zugeführt und ein Oxidansgas, wie ein hauptsächlich Sauerstoff und Luft enthaltendes Gas wird der Luftelektrode (d. h. der Elektrode auf der Kathodenseite) zugeleitet. Das Wasserstoff enthaltende Gas wird der Elektrode auf der Anodenseite über einen Brenngasströmungskanal zugeführt und durch die Wirkung eines Katalysators der Elektrode in Elektronen und Wasserstoffionen dissoziiert. Die Elektronen bewegen sich über eine externe Schaltung zur Elektrode auf der Kathodenseite. Indessen durchqueren die Wasserstoffionen die Elektrolytmembran und erreichen die Elektrode auf der Kathodenseite, wo die Wasserstoffionen sich an den Sauerstoff binden und die Elektronen sich durch die äußere Schaltung bewegen, um dadurch Reaktionswasser zu erzeugen. Die durch die Bindereaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff und den Elektronen erzeugte Wärme wird durch Kühlwasser rückgewonnen. Außerdem wird das an der Elektrode auf der Seite der Kathode erzeugte Wasser (das nachfolgend als „erzeugtes Wasser” bezeichnet wird) von der Seite der Kathode abgeleitet.
Sowohl die anodenseitige Elektrode als auch die kathodenseitige Elektrode der Brennstoffzelle sind aus Katalysatorschichten gebildet, und diese Katalysatorschichten schließen Stapel von Gasdiffusionsschichten ein, durch die Wasserstoff enthaltendes Gas bzw. Oxidansgas diffundieren können. Falls die Ableitung des durch die oben beschriebene Reaktion erzeugten Wassers im Strömungskanal auf der Kathodenseite unterbrochen wird, kann eine Verstopfungserscheinung („Überlauferscheinung”) an der kathodenseitigen Elektrode auftreten. Insbesondere wird durch das erzeugte Wasser der kathodenseitige Kanal verengt, falls die Ableitung des erzeugten Wassers im kathodenseitigen Strömungskanal unterbrochen wird. Dies kann den Strömungswiderstand im kathodenseitigen Strömungskanal erhöhen und somit eine Reduzierung der Erzeugung elektrischer Ausgangsleistung bewirken.
Das unten beschriebene Patentdokument 1 offenbart, daß, mit dem Ziel, die Unterbrechung der Gasdiffusionsfähigkeit und die Verschlechterung der Entwässerung zu überwinden, ein Element zur Bildung eines Strömungskanals aus einer Mehrzahl von Verbindungsabschnitten gebildet wird, und daß, je weiter sich die Abschnitte auf der in Bezug auf das zugeführte Gas stromab gelegenen Seite befinden, der Durchflußquerschnitt der Abschnitte um so enger wird.
Zitatliste
Patentdokument

Patentdokument: JP 2001-143725 A

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Es wurde ein Drückseparator vorgeschlagen, der beispielsweise durch derartiges Drücken einer Metallplatte ausgeformt wird, daß sie auf ihrer Vorder- und ihrer Rückseite gegeneinander versetzte konvexe und konkave Formen aufweist und Wasserstoff enthaltendes Gas einem konkaven Abschnitt zugeführt wird. Einem konvexen Abschnitt des Drückseparators, das heißt dem konkaven Abschnitt auf der Rückseite, wird Kühlwasser zugeführt, um dadurch eine MEA zu kühlen. Mit anderen Worten, der Gasströmungskanal und der Kühlwasserströmungskanal sind als die Vorderseite und die Rückseite des gleichen Separators ausgebildet. Obwohl bei einem solchen Drückseparator der Gasströmungskanal und der Kühlwasserströmungskanal als die Vorderseite und die Rückseite des Drückseparators ausgebildet sein können und dadurch die Konstruktion vereinfacht werden kann, neigt ein nasser Zustand in den Zellen der Brennstoffzelle dazu, ungleichförmig zu sein. Speziell neigt bei hoher Temperatur ein stromab befindlicher Teil des Gases dazu, trocken zu sein. Insbesondere weil das erzeugte Wasser auf der Kathodenseite gebildet wird, wird die Feuchtigkeit auf der stromauf befindlichen Seite des Anodengases durch Zirkulation dieses erzeugten Wassers von der Kathodenseite zur Anodenseite relativ hoch. Weil jedoch auf der stromauf gelegenen Seite des Anodengases der Druckverlust größer ist und die Feuchtigkeit nicht zur stromab gelegenen Seite wandert, neigt die stromab gelegene Seite des Anodengases dazu, trocken zu werden (auszutrocknen). Eine solche Ungleichförmigkeit des Feuchtigkeitszustands kann auch bei irgendwelchen anderen Separatoren als dem Drückseparator auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die einen Feuchtigkeitszustand verbessern kann und damit die Ausgangsspannung steigern kann, selbst wenn ein Separator eingesetzt wird, auf dem ein Gasströmungskanal und ein Kühlmittelströmungskanal für Kühlwasser oder dergleichen als dessen Vorderseite und Rückseite vorgesehen sind.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Membran-Elektroden-Anordnung; und einen auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Separator, auf dessen Vorderseite und dessen Rückseite sich angeformte konkav und konvex gestaltete Bereiche befinden, wobei der Separator einen als konkaver Abschnitt auf der Seite der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildeten Gasströmungskanal besitzt und einen als konkaver Abschnitt auf der der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüberliegenden Seite ausgebildeten Kühlmittelströmungskanal, wobei bei dieser Brennstoffzelle eine Querschnittsfläche des den Gasströmungskanal des Separators bildenden konkaven Abschnitts so bemessen ist, daß er auf einer stromab gelegenen Seite des Gases relativ kleiner wird als auf einer stromauf gelegenen Seite des Gases und eine Querschnittsfläche des den Kühlmittelströmungskanal des Separators bildenden konkaven Abschnitts so bemessen ist, daß er auf einer stromab gelegenen Seite des Kühlmittels relativ größer wird als auf einer stromauf gelegenen Seite des Kühlmittels.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gasströmungskanal ein geradliniger Strömungskanal mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß, die auf einer geraden Linie angeordnet sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gasströmungskanal ein schlangenförmiger bzw. gewundener bzw. serpentinenförmiger Strömungskanal.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gasströmungskanal ein schlangenförmiger bzw. gewundener bzw. serpentinenförmiger Strömungskanal und der Kühlmittelkanal ein geradliniger Strömungskanal.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, einen Feuchtigkeitszustand zu verbessern und die Ausgangsspannung zu steigern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Struktur einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasströmungskanals gemäß der Ausführungsform.
3 zeigt Querschnitte nach a-a, b-b und c-c in 2.
4 zeigt eine Tabelle zur Darstellung der Verhältnisse zwischen der Ausführungsform und einem Vergleichsbeispiel.
5 zeigt eine Tabelle zur Darstellung der Verhältnisse zwischen der Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel.
6 zeigt ein Diagramm, das die Änderungen der Zellenspannung zwischen der Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel darstellt.
7 zeigt eine Draufsicht auf einen Separator gemäß der Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsform
Auf der Basis der Zeichnungen wird nachfolgend eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch ist die folgende Ausführungsform ein Beispiel und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Es wird zunächst eine Basiskonstruktion und ein Basisprinzip der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine MEA, eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und einen Separator, an dem eine konvexe und eine konkave Struktur ausgebildet ist, wenn dessen Vorder- und Rückseite mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht verbunden werden. Weil der Separator durch Drücken geformt wird, wird er, falls nötig, als „Drückseparator” bezeichnet. Ein konkaver Abschnitt der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht des Drückseparators dient als Gasströmungskanal und wird mit Wasserstoffgas als Reaktansgas versorgt. Außerdem dient ein dem konkaven Abschnitt benachbarter konvexer Abschnitt, der ein konkaver Abschnitt auf der Rückseite ist, als Kühlmittelkanal und wird mit Kühlwasser versorgt.
Obwohl der konkave Abschnitt des Drückseparators mit Wasserstoffgas versorgt wird, wird der Gasdurchfluß stromab vom konkaven Abschnitt niedrig und die Drainage nimmt ab. Wenn die Temperatur niedrig ist, wird das erzeugte Wasser gespeichert und kann ein Überlaufen verursachen. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Temperatur hoch ist, der konkave Abschnitt trocken werden und es kann ein Austrocknen auftreten.
Deshalb wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Drückseparator benutzt, auf dem als dessen Vorder- und Rückseite konvexe und konkave Abschnitte ausgebildet sind und die Breite des konkaven Abschnitts und eine Querschnittsfläche des konvexen Abschnitts (Strömungskanal-Querschnittsfläche) werden nicht konstant gehalten, sondern ändern sich längs des Gasströmungskanals. Der konkave Abschnitt besitzt auf der stromab gelegenen Seite im Vergleich mit der stromauf gelegenen Seite eine relativ kleinere Querschnittsfläche, während der konvexe Abschnitt im Vergleich mit der stromauf gelegenen Seite eine relativ größere Querschnittsfläche besitzt.
Wenn die Größe der Querschnittsfläche des konkaven Abschnitts auf der stromab gelegenen Seite relativ kleiner gemacht wird als auf der stromauf gelegenen Seite, das heißt, wenn die Querschnittsfläche auf der stromauf gelegenen Seite relativ größer ist, wird der Druckverlust im Gasströmungskanal kleiner im Vergleich damit, daß eine solche Konstruktion nicht verwendet wird, und deshalb wird das erzeugte Wasser veranlaßt, sich von der stromauf gelegenen zur stromab gelegenen Seite zu bewegen, wodurch eine Ansammlung des Wassers unterdrückt und der Feuchtigkeitszustand verbessert wird. Obwohl das erzeugte Wasser auf der Kathodenseite produziert wird, wird das erzeugte Wasser an die stromab gelegene Seite des Gasströmungskanals auf der Kathodenseite längs des Gasströmungskanals auf der Kathodenseite abgegeben und dann an die stromauf gelegene Seite der Anodenseite über eine Elektrolytmembran abgegeben, falls die Strömungsrichtungen des Gasströmungskanals auf der Anodenseite und des Gasströmungskanals auf der Kathodenseite einander entgegengesetzt sind, und falls die stromauf gelegene Seite des Gasströmungskanals auf der Anodenseite der stromab gelegenen Seite des Gasströmungskanals auf der Kathodenseite entspricht. Das erzeugte Wasser wird auf diese Weise in Umlauf gehalten und die Menge des erzeugten Wassers ist auf der stromauf gelegenen Seite des Gasströmungskanals auf der Anodenseite relativ größer. Jedoch wird das von der Kathodenseite in Umlauf gebrachte erzeugte Wasser schnell an die stromab gelegene Seite abgegeben, wodurch der Feuchtigkeitszustand verbessert wird, weil bei der vorliegenden Ausführungsform die Breite auf der stromauf gelegenen Seite des Gasströmungskanals derart eingestellt ist, daß sie relativ groß ist, um den Druckverlust zu reduzieren.
Des weiteren wird ein Kontaktbereich oder das Ausmaß des Kontaktes zwischen der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht und dem konvexen Abschnitt auf der stromab gelegenen Seite relativ größer, falls der Querschnittsbereich des konvexen Abschnitts auf der stromab gelegenen Seite relativ größer ist als auf der stromauf gelegenen Seite, und deshalb nimmt der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auf der stromab gelegenen Seite entsprechend zu. Deshalb ist es, selbst wenn die Temperatur hoch ist, möglich, die Wärme von der stromab gelegenen Seite abzuführen und sie wirkungsvoll zu kühlen, wodurch das Trocknen der stromab gelegenen Seite unterdrückt und damit das Austrocknen unterdrückt wird, selbst wenn die Temperatur hoch ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Feuchtigkeitszustand der Membran durch Einstellung der Querschnittsfläche des konkaven Abschnitts und der Querschnittsfläche des konvexen Abschnitts des Separators verbessert, das heißt, durch Einstellung sowohl der Querschnittsfläche des Gasströmungskanals als auch der Querschnittsfläche des Kühlwasserströmungskanals.
Als Nächstes wird speziell eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Die 1 zeigt eine Querschnittsgestaltung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Brennstoffzelle wird durch aufeinanderfolgendes Laminieren eines Separators 20, eines Separators 30, einer porösen Körperschicht 34, einer Gasdiffusionsfolie bzw. Gasdiffusionsplatte 14, einer MEA 10, einer Gasdiffusionsfolie bzw. Gasdiffusionsplatte 12, eines Separators 20 und eines Separators 30 gestaltet. Die Gasdiffusionsplatte 12, der Separator 20 und der Separator 30 sind auf der Anodenseite angeordnet, während die Gasdiffusionsplatte 14 und die poröse Körperschicht 34 auf der Kathodenseite angeordnet sind. Die Gasdiffusionsplatte 14, die MEA 10 und die Gasdiffusionsplatte 12 sind zur Bildung einer MEGA verbunden.
Die Separatoren 20 und die Separatoren 30 besitzen eine rechtwinklige äußere Gestalt und sind längs ihrer Umfangsseite mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern versehen, die verschiedene Anschlüsse bilden. Der Separator 20 wird durch Drücken einer einzelnen Metallplatte ausgeformt und weist in versetzter Weise konvexe und konkave Formen als seine Vorder- und Rückseiten auf. Konkave Abschnitte 22a werden über die von den Durchgangslöchern in der Umfangsseite des Separators 20 gebildeten Anschlüsse mit unter Hochdruck stehendem Wasserstoffgas versorgt. Des weiteren sind konkave Abschnitte 22b über die von den Durchgangslöchern in der Umfangsseite des Separators 20 gebildeten Anschlüsse mit einem Anodengas-Ableitungssystem verbunden. Bei diesem Strömungsverlauf wird Wasserstoff Katalysatorschichten der anodenseitigen Elektrode der Gasdiffusionsfolie bzw. Gasdiffusionsplatte 12 zur MEA 10 zugeführt. Außerdem dienen die konvexen Abschnitte 24 des Separators 20 zusammen mit dem Separator 30 als Kühlmittelströmungskanäle, durch welche ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, strömt.
Der durch den konkaven Abschnitt 22 gebildete Gasströmungskanal setzt sich aus einer Mehrzahl von Abschnitten, wie drei Abschnitten, zwischen einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß zusammen, und diese Abschnitte sind kontinuierlich über scharfe Krümmungen verbunden und bilden einen schlangenförmigen Strömungskanal.
Die 2 zeigt schematisch einen gewundenen bzw. serpentinenförmigen bzw. schlangenförmigen Strömungskanal. Der Gasströmungskanal ist aus drei Abschnitten zusammengesetzt, nämlich einem stromauf gelegenen Abschnitt, einem Mittelabschnitt und einem stromab gelegenen Abschnitt. Der stromauf gelegene Abschnitt und der Mittelabschnitt sind durch eine U-förmige Krümmung verbunden, und der Mittelabschnitt und der stromab gelegene Abschnitt sind ebenfalls durch eine U-förmige Krümmung verbunden. Wie durch die Pfeile in der Figur angezeigt, strömt in dieser Figur das Gas im stromauf gelegenen Abschnitt von rechts nach links; das Gas im Mittelabschnitt strömt von links nach rechts und das Gas im stromab gelegenen Abschnitt strömt wie im stromauf gelegenen Abschnitt, von rechts nach links. Über einen auf der Umfangsseite des Separators 20 vorgesehenen Wasserstoffeinlaß 50 zugeführtes Wasserstoffgas strömt in dieser Reihenfolge vom stromauf gelegenen Abschnitt zum Mittelabschnitt und von diesem zum stromab gelegenen Abschnitt und wird über den auf der dem Wasserstoffeinlaß 50 gegenüberliegenden Seite auf der Umfangsseite des Separators 20 vorgesehenen Wasserstoffauslaß 52 abgeführt.
Die 3 zeigt schematisch Querschnitte durch die stromauf gelegenen Abschnitte, die Mittelabschnitte und die stromab gelegenen Abschnitte der 2. Die 3(a) zeigt einen Querschnitt der 2 längs a-a, der den Querschnitt des konkaven Abschnitts 22 und des konvexen Abschnitts 24 im stromauf gelegenen Abschnitt einschließt. Die 3(b) zeigt einen Querschnitt der 2 längs b-b, der den Querschnitt des konkaven Abschnitts 22 und des konvexen Abschnitts 24 im Mittelabschnitt einschließt.. Die 3(c) zeigt einen Querschnitt der 2 längs c-c, der den Querschnitt des konkaven Abschnitts 22 und des konvexen Abschnitts 24 im stromab gelegenen Abschnitt einschließt.
Angenommen, daß die Breite des konkaven Abschnitts 22 L1 und die Breite des konvexen Abschnitts 24 L2 ist, wird die Breite L1 des konkaven Abschnitts 22 bei der Bewegung stromaufwärts größer und kleiner bei einer Bewegung stromabwärts. Insbesondere unter der Annahme, daß L1 des stromauf gelegenen Abschnitts L1 (stromauf), L1 des Mittelabschgnitts L1(Mitte) und L1 des stromab gelegenen Abschnitts L1(stromab) ist, sind die Breiten so ausgebildet, daß sie dem folgenden Verhältnis entsprechen: L1(stromauf) > L1(Mitte) > L1(stromab)
Weil die Tiefe des konkaven Abschnitts 22 konstant ist und die Querschnittsfläche des Gasströmungskanals durch Breite·Tiefe definiert ist, gilt unter der Annahme; daß die Querschnittsfläche des stromauf gelegenen Abschnitts S1(stromauf), die Querschnittsfläche des Mittelabschnitts S1(Mitte) und die Querschnittsfläche des stromab gelegenen Abschnitts S1(stromab) ist, die folgende Beziehung: S1(stromauf) > S1(Mitte) > S1(stromab)
Zudem wird im Gegensatz zu L1 die Breite L2 des konvexen Abschnitts 24 bei der Bewegung stromauf kleiner und bei der Bewegung stromab größer. Insbesondere unter der Annahme, daß L2 des stromauf gelegenen Abschnitts L2 (stromauf), L2 des Mittelabschnitts L2(Mitte) und L2 des stromab gelegenen Abschnitts L2 (stromab) ist, sind die Breiten so ausgebildet, daß sie dem folgenden Verhältnis gerecht werden: L2(stromauf) < L2(Mitte) < L2(stromab)
Weil die Höhe des konvexen Abschnitts 24, die der Tiefe des konkaven Abschnitts auf der Rückseite entspricht, konstant ist, und die Querschnittsfläche des Kühlwasserströmungskanals durch Breite·Tiefe definiert ist, gilt unter der Annahme, daß eine Querschnittsfläche S2 des stromauf gelegenen Abschnitts S2 (stromauf), eine Querschnittsfläche S2 des Mittelabschnitts S2(Mitte) und eine Querschnittsfläche S2 des stromab gelegenen Abschnitts S2 (stromab) ist in ähnlicher Weise die Beziehung: S2(stromauf) < S2(Mitte) < S2(stromab)
Mit anderen Worten, falls die Breite L1 des konkaven Abschnitts 22 im Mittelabschnitt als Bezugsgröße verwendet wird, ist die Breite L1 des konkaven Abschnitts 22 im stromauf gelegenen Abschnitt um einen vorgegebenen Betrag größer ausgelegt als jene des Mittelabschnitts, und die Breite L1 des konkaven Abschnitts 22 im stromab gelegenen Abschnitt ist um einen vorgegebenen Betrag kleiner ausgelegt als jene des Mittelabschnitts. Außerdem, falls die Breite L2 des konvexen Abschnitts 24 im Mittelabschnitt als Bezugswert benutzt wird, ist die Breite L2 des konvexen Abschnitts 24 im stromauf gelegenen Abschnitt um einen vorgegebenen Betrag größer ausgelegt als jene des Mittelabschnitts, und die Breite L2 des konvexen Abschnitts 24 im stromab gelegenen Abschnitt ist um einen vorgegebenen Betrag kleiner ausgelegt als jene des Mittelabschnitts.
Insbesondere ist in den 3(a), 3(b) und 3(c) eine Summe der Breite L1 des konkaven Abschnitts 22 und der Breite L2 des konvexen Abschnitts 24, das heißt eine Teilung P = L1 + L2 konstant. Mit anderen Worten, die Breite L1 des konkaven Abschnitts 22 und die Breite L2 des konvexen Abschnitts 24 werden im stromauf gelegenen Abschnitt, im Mittelabschnitt und im stromab gelegenen Abschnitt verändert, während eine konstante Teilung des konkaven Abschnitts 22 und des konvexen Abschnitts 24 aufrechterhalten wird.
Die 4 zeigt eine Tabelle, die die vorliegende Ausführungsform mit einem Vergleichsbeispiel vergleicht, bei dem die Breite des konkaven Abschnitts 22 und die Breite des konvexen Abschnitts 24 im stromauf gelegenen Abschnitt, im Mittelabschnitt und dem stromab gelegenen Abschnitt konstant sind. Diese Tabelle zeigt Verhältnisse zwischen der Breite des konkaven Abschnitts 22 und der Breite des konvexen Abschnitts 24 getrennt sowohl für den Gasströmungskanal als auch den Kühlwasserströmungskanal. Für den Gasströmungskanal wird das Verhältnis als (die Breite des konkaven Abschnitts 22/die Breite des konvexen Abschnitts 24) gezeigt, während für den Kühlwasserströmungskanal das Verhältnis als (die Breite des konvexen Abschnitts 24/die Breite des konkaven Abschnitts 22) gezeigt wird. Falls die Breite des konkaven Abschnitts 22 im Mittelabschnitt als Bezugsgröße benutzt wird und eine Teilung im Mittelabschnitt P ist, haben sowohl das Vergleichsbeispiel und die vorliegende Ausführungsform das gleiche Verhältnis des Gasströmungskanals A/(P – A) und das gleiche Verhältnis des Kühlwasserströmungskanals (P – A)/A. Beim Vergleichsbeispiel ändert sich dieses beim stromauf gelegenen Abschnitt und beim stromab gelegenen Abschnitt nicht und bleibt konstant. Andererseits wird bei der vorliegenden Ausführungsform, weil die Breite des konkaven Abschnitts 22 beim stromauf gelegenen Abschnitt um einen vorgegebenen Betrag α größer wird, das Verhältnis des Gasströmungskanals zu (A + α)/(P – A – α) und das Verhältnis des Kühlwasserströmungskanals zu (A – α)/(P – A + α). Des weiteren wird bei der vorliegenden Ausführungsform, weil die Breite des konkaven Abschnitts 22 beim stromab gelegenen Abschnitt um einen vorgegebenen Betrag α kleiner wird, das Verhältnis des Gasströmungskanals zu (A – α)/(P – A + α) und das Verhältnis des Kühlwasserströmungskanals zu (A + α)/(P – A – α).
Alternativ ist unter der Annahme, daß die Breite des konvexen Abschnitts 24 beim Mittelabschnitt B ist und daß der vorgegebene Betrag β ist, das Verhältnis des Gastströmungskanals A/B und das Verhältnis des Kühlwasserströmungskanals beim stromauf gelegenen Abschnitt, beim Mittelabschnitt und beim stromab gelegenen Abschnitt jeweils B/A. Indessen können bei der vorliegenden Ausführungsform die Verhältnisse des Gasströmungskanals (A + α)/(B – β) beim stromauf gelegenen Abschnitt, A/B beim Mittelabschnitt und (A – α)/(B + β) beim stromab gelegenen Abschnitt sein und die Verhältnisse des Kühlwasserströmungskanals können (B – β)/(A + α) beim stromauf gelegenen Abschnitt, B/A beim Mittelabschnitt und (B + β)/(A – α) beim stromab gelegenen Abschnitt sein. α und β können identisch sein oder nicht. Falls α und β identisch sind, ist die Teilung konstant, während sich die Teilung ändert, wenn α und β unterschiedlich sind.
Die 5 zeigt ein spezielles Beispiel auf der Basis der Tabelle in 4, bei der α auf 0,08 mm eingestellt ist. Bei allen, dem stromauf gelegenen Abschnitt, dem Mittelabschnitt und dem stromab gelegenen Abschnitt, ist das Verhältnis des Gasströmungskanals 1,12 (mm)/0,42 (mm) und das Verhältnis des Kühlwasserströmungskanals ist 0,42/1,12. Indessen ändert sich bei der vorliegenden Ausführungsform das Verhältnis des Gasströmungskanals von 1,20/0,34 beim stromauf gelegenen Abschnitt zu 1,12/0,42 beim Mittelabschnitt und 1,04/0,50 beim stromab gelegenen Abschnitt. Falls das Verhältnis beim Mittelabschnitt als Bezugsgröße benutzt wird, nimmt das Verhältnis im stromauf gelegenen Abschnitt im Vergleich zum Mittelabschnitt zu, während das Verhältnis im stromab gelegenen Abschnitt im Vergleich zum Mittelabschnitt abnimmt. Außerdem ändert sich das Verhältnis beim Kühlwasserströmungskanal von 0,34/1,20 beim stromauf gelegenen Abschnitt auf 0,42/1,12 beim Mittelabschnitt und 0,50/1,04 beim stromab gelegenen Abschnitt. Falls das Verhältnis beim Mittelabschnitt als Bezugsgröße benutzt wird, nimmt das Verhältnis im stromauf gelegenen Abschnitt im Vergleich zum Mittelabschnitt ab, während das Verhältnis im stromab gelegenen Abschnitt im Vergleich zum Mittelabschnitt zunimmt. Das Vergleichsbeispiel und die vorliegende Ausführungsform verwenden das gleiche Verhältnis beim Mittelabschnitt.
Als solches nimmt, durch derartige Ausbildung der Breite L1 des konkaven Abschnitts 22, daß L1(stromauf) > L1(Mitte) > L1(stromab), der Gasdruckverlust im stromauf gelegenen Abschnitt ab und der Gasdurchfluß im stromab gelegenen Abschnitt nimmt zu. Dadurch wird zugelassen, daß die Feuchtigkeit sich vom stromauf gelegenen Abschnitt zum stromab gelegenen Abschnitt bewegt, wodurch das Trocknen unterdrückt wird, selbst wenn die Temperatur hoch ist. Des weiteren wird die Entwässerung sichergestellt und dadurch das Überlaufen unterdrückt, weil der Gasdurchfluß im stromab gelegenen Abschnitt zunimmt, selbst wenndiedie Temperatur niedrig ist.
Zudem nimmt bei solcher Ausbildung der Breite L2 des konvexen Abschnitts 24, daß L2(stromauf) < L2(Mitte) < L2(stromab) ist, ein Kontaktbereich oder das Kontaktverhältnis zwischen dem Separator 20 und der Gasdiffusionsschicht 12 im stromab gelegenen Abschnitt zu und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung steigt, wodurch das Trocknen unterdrückt wird und damit das Austrocknen beim stromab gelegenen Abschnitt, wenn die Temperatur hoch ist. Das Überlaufen und das Austrocknen beeinflußt in großem Ausmaß die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind dieses Überlaufen und Austrocknen unterdsrückt und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nimmt zu.
Die 6 zeigt Charakteristika der Zellenspannung der Brennstoffzellen des Vergleichsbeispiels und der vorliegenden Ausführungsform. In der Figur zeigt die Breitenachse die Stromdicht an und die vertikale Achse die durchschnittliche Zellenspannung. Zudem zeigt in der Figur eine Linie 100 die Zellenspannung der vorliegenden Ausführungsform und eine Linie 200 die Zellenspannung des Vergleichsbeispiels. Wenn die Stromdichte niedrig ist, besitzen das Vergleichsbeispiel und die vorliegende Ausführungsform annähernd die gleiche Zellenspannung. Jedoch, wenn die Stromdicht zunimmt, wird die Zellenspannung der vorliegenden Ausführungsform größer als jene des Vergleichsbeispiels. Dies ist der Fall, weil bei der vorliegenden Ausführungsform ein gleichförmiger Feuchtigkeitszustand der Membran über den gesamten Gasströmungskanal besteht und insbesondere das Trocknen auf der stromab gelegenen Seite unterdrückt wird, wenn die Ausgangsleistung hoch ist.
Die 7 zeigt eine spezielle Konstruktion des Separators 20 der vorliegenden Ausführungsform. Der Separator 20 weist als Ganzes eine rechtwinklige Gestalt auf, und ein Gasströmungskanal, der vom konkaven Abschnitt aus den konvexen und konkaven, als Vorderseite und Rückseite des Separators dienenden Abschnitten gebildet ist, besitzt drei Abschnitte, das heißt den stromauf gelegenen Abschnitt, den Mittelabschnitt und den stromab gelegenen Abschnitt. In dieser Figur sind der stromauf gelegene Abschnitt, der Mittelabschnitt und der stromab gelegenen Abschnitt von oben her in dieser Reihenfolge ausgebildet. Sammelleitungen bzw. Anschlußstücke bzw. Anschlüsse 50 und 52 als Wasserstoffgaseinlaß/-auslaß und Sammelleitungen bzw. Anschlußstücke bzw. Anschlüsse 60 und 62 als Kühlwassereinlaß/-auslaß sind an dem rechten und linken Umfangsabschnitt des Separators 20 ausgebildet. Insbesondere sind der Wasserstoffeinlaßanschluß 50 und drei Kühlwassereinlaßanschlüsse 60 in dieser Reihenfolge von der Oberseite des rechten Umfangsabschnitts des Separators 20 ausgebildet. Auf dem linken Umfangsabschnitt befinden sich insgesamt vier Anschlüsse, das heißt drei Kühlwasserauslaßanschlüsse 62 und ein Wasserstoffgasauslaßanschluß 52 in dieser Reihenfolge von oben. Wasserstoffgas wird von einem externen Wasserstofftank über einen Regler oder einen Injektor durch den Wasserstoffeinlaßanschluß 50 des rechten Umfangsabschnitts des Separators 20 zugeführt. Ein Wasserstoffgasrohr erstreckt sich von einem Wasserstofftank zur Seite des Brennstoffzellenstapels und ist mit dem Wasserstoffgaseinlaßanschluß 50 durch die Innenseite der Endplatte des Brennstoffzellenstapels verbunden. Wasserstoffgas strömt in den stromauf gelegenen Abschnitt des Gasströmungskanals vom Gaseinlaß am oberen rechten Ende in der Figur.
Wasserstoffgas strömt durch den stromauf gelegenen Abschnitt des Gasströmungskanals, der der schlangenförmige Strömungskanal ist, in der Figur von rechts nach links, und fließt in den Mittelabschnitt, während es sich am linken Ende wendet. Das Wasserstoffgas strömt dann durch den Mittelabschnitt des Gasströmungskanals in der Figur von links nach rechts und strömt dann in den stromab gelegenen Abschnitt, während es sich am rechten Ende wendet. Das Wasserstoffgas strömt dann weiter durch den stromab gelegenen Abschnitt des Gasströmungskanals in der Figur von rechts nach links und wird als Abgas von einem Gasauslaß über den Wasserstoffgasauslaßanschluß 52 des linken Umfangsabschnitts des Separators 20 abgeführt. Das als Abgas entlassene Wasserstoffgas wird einer Feuchtigkeitsentzugsbehandlung durch eine Gas-Flüssigkeit-Trenngerät unterworfen und dann mittels einer Umwälzpumpe wieder dem stromauf gelegenen Abschnitt des Gasströmungskanals zugeführt.
Andererseits wird das Kühlwasser über den Kühlwassereinlaßanschluß 60 des rechten Umfangsabschnitts des Separators 20 zugeleitet. Das Kühlwasser strömt durch den dem konkaven, den Gasströmungskanal bildenden Abschnitt an der Vorderseite benachbarten konvexen Abschnitt, was bedeutet, daß der Kühlwasserströmungskanal vom konkaven Abschnitt auf der Rückseite gebildet wird. Das Kühlwasser wird dann aus dem Kühlwasserauslaßanschluß 62 des linken Umfangsabschnitts des Separators 20 abgeführt. Insbesondere, obwohl der Gasstrom am Wasserstoffgaseinlaßanschluß 50 eintritt, vom stromauf gelegenen Abschnitt zum Mittelabschnitt und dem stromab gelegenen Abschnitt strömt und vom Wasserstoffauslaßanschluß 52 ausgegeben wird, fließt das Kühlwasser nicht in dieser mäandernden Weise und strömt vom Kühlwassereinlaßanschluß 60 durch den stromauf gelegenen Abschnitt, den Mittelabschnitt und den stromab gelegenen Abschnitt des Kühlwasserströmungskanals und wird aus dem Kühlwasserauslaßanschluß 62 abgegeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Gasströmungskanal der schlangenförmige Strömungskanal, aber der Kühlwasserströmungskanal ist ein geradliniger Strömungskanal. Längs der vertikalen Richtung gibt es zwischen den Kühlwassereinlaß-/-auslaßanschlüssen 60 und 62 und dem Kühlwasserströmungskanal vertiefte Bereiche 66, um Einstellungen derart vorzunehmen, daß die Kühlwasserströmung annähernd konstant ist. Außerdem sind an den oberen und unteren Umfangsabschnitten des Separators 20 Lufteinlaß-/-auslaßanschlüsse 70, 72 ausgebildet.
Die Breite des konkaven Abschnitts des stromauf gelegenen Abschnitts des Gasströmungskanals ist so bemessen, daß sie relativ größer ist als jene des konkaven Abschnitts des Mittelabschnitts. Zudem ist die Breite des konkaven Abschnitts des stromab gelegenen Abschnitts des Gasströmungskanals so bemessen, daß sie relativ kleiner ist als jene des konkaven Abschnitts des Mittelabschnitts. Andererseits ist die Breite des konvexen Abschnitts des stromauf gelegenen Abschnitts des Gasströmungskanals so bemessen, daß sie relativ kleiner ist als jene des konvexen Abschnitts des Mittelabschnitts. Die Breite des konvexen Abschnitts des stromab gelegenen Abschnitts ist so bemessen, daß sie relativ größer ist als jene des konvexen Abschnitts des Mittelabschnitts. Insbesondere ist die Breite des konkaven Abschnitts des stromauf gelegenen Abschnitts (Breite des Strömungskanals) 1,20 mm; die Breite des konkaven Abschnitts im Mittelabschnitt ist 1,12 mm; und die Breite des konkaven Abschnitts im stromab gelegenen Abschnitt ist 1,04 mm. Weiterhin ist die Breite des konvexen Abschnitts im stromauf gelegenen Abschnitt 0,34 mm; die Breite des konvexen Abschnitts im Mittelabschnitt 0,42 mm und die Breite des konvexen Abschnitts im stromab gelegenen Abschnitt 0,50 mm. Natürlich sind diese Breitenzahlen lediglich Beispiele und beispielsweise kann die Breite des konkaven Abschnitts 22 im stromauf gelegenen Abschnitt 1,02 mm betragen, die Breite des konkaven Abschnitts 22 im Mittelabschnitt 0,95 mm und die Breite des konkaven Abschnitts 22 im stromab gelegenen Abschnitt 0,88 mm.
Wie beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform beim Separator, auf dessen Vorder- und Rückseite der Gasströmungskanal und der Kühlwasserströmungskanal ausgebildet sind, die Querschnittsfläche des Gasströmungskanals um so kleiner und die Querschnittsfläche des Kühlwasserströmungskanals um so größer, je weiter stromab sich die Querschnittsfläche befindet. Somit wird der Druckverlust im stromauf gelegenen Abschnitt reduziert und dem erzeugten Wasser wird gestattet, sich zum stromab gelegenen Abschnitt zu bewegen, wodurch der Feuchtigkeitszustand der Membran verbessert wird. Mit anderen Worten, dadurch, daß die die Querschnittsfläche des Gasströmungskanals im stromauf gelegenen Abschnitt des Gasströmungskanals relativ größer gemacht wird, ist es möglich, den Druckverlust zu reduzieren und es dem im stromauf gelegenen Abschnitt des Gasströmungskanals befindlichen, erzeugten Wasser zu gestatten, zur stromab gelegenen Seite zu fließen, wodurch ein Überlaufen wirkungsvoll verhindert wird, das verursacht wird, wenn sich das erzeugte Wasser im Strömungskanal ansammelt und den Strömungskanal verengt, und eine Verknappung des erzeugten Wassers im stromab gelegenen Abschnitt. Zudem ist es dadurch, daß die Querschnittsfläche des Gasströmungskanals im stromab gelegenen Abschnitt kleiner gemacht wird, das heißt, die Querschnittsfläche des Kühlwasserströmungskanals im stromab gelegenen Abschnitt größer gemacht wird, möglich, das Trocknen zu verhindern und und das Austrocknen des stromab gelegenen Abschnitts insbesondere beim Betrieb unter hohen Temperaturen zu unterdrücken. Weil bei der vorliegenden Ausführungsform das erzeugte Wasser vom stromauf gelegenen Abschnitt zuverlässiger als bisher zu stromab gelegenen Abschnitt befördert wird, nimmt der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu und die Unterdrückungswirkung auf das Austrocknen ist beachtlich.
Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform der schlangenförmige Strömungskanal als Beispiel des Gasströmungskanals des Separators 20 gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und kann auf einen geradlinigen Strömungskanal ohne Kurven angewandt werden. Im geradlinigen Strömungskanal werden die konkaven Abschnitte 22 auf einer geraden Linie vom Gaseinlaß zum Gasauslaß ausgebildet. Der geradlinige Strömungskanal wird in zwei Abschnitte unterteilt, das heißt einen stromauf gelegenen Abschnitt und einen stromab gelegenen Abschnitt, oder in drei Abschnitte, das heißt einen stromauf gelegenen Abschnitt, einen Mittelabschnitt und einen stromab gelegenen Abschnitt. Die Bemessung ist derart getroffen, daß die Breite des konkaven Abschnitts 22 um so kleiner und die Breite des konvexen Abschnitts 24 um so größer ist, je weiter stromab sie sich im Strömungskanal befindet.
Des weiteren können die Breite des konkaven Abschnitts 22 im stromauf gelegenen Abschnitt und dem Mittelabschnitt gleich sein, obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die Breite des konkaven Abschnitts 22, das heißt die Querschnittsfläche des konkaven Abschnitts 22 im stromauf gelegenen Abschnitt, dem Mittelabschnitt und dem stromab gelegenen Abschnitt verändert wird, und nur die Breite des konkaven Abschnitts 22 im stromab gelegenen Abschnitt wird relativ verkleinert. In diesem Falle sind die Breiten der konvexen Abschnitts 24 im stromauf gelegenen Abschnitt und dem Mittelabschnitt gleich und nur die Breite des konvexen Abschnitts 24 im stromab gelegenen Abschnitt ist relativ vergrößert. Zudem können die Breiten des konkaven Abschnitts 22 im Mittelabschnitt und im stromab gelegenen Abschnitt gleich sein und nur die Breite des konkaven Abschnitts 22 im stromauf gelegenen Abschnitt kann relativ größer gemacht sein. In diesem Falle sind die Breitendes konvexen Abschnitts 24 im Mittelabschnitt und im stromab gelegenen Abschnitt gleich und nur die Breite des konvexen Abschnitts 24 im stromauf gelegenen Abschnitt ist relativ verkleinert.
Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform der konkave Strömungskanal am Separator 20 auf der Anodenseite ausgebildet und der Strömungskanal als poröser Körper gebildet aus der porösen Körperschicht 34 ist auf der Kathodenseite ausgebildet, falls die Kathodenseite einen Drückseparator besitzt, der dem Separator 20 ähnlich ist, aber nicht die poröse Körperschicht 34, können sich auch die Breite des konkaven Abschnitts 22 und die Breite des konvexen Abschnitts 24 dieses kathodenseitigen Drückseparators auf der stromauf gelegenen Seite und der stromab gelegenen Seite wie auf der Anodenseite ändern.
Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die Breiten des konkaven Abschnitts 22 und des konvexen Abschnitts 24 verändert werden während eine konstante Teilung zwischen ihnen aufrecht erhalten wird, muß des weiteren die Teilung nicht immer konstant sein und sie kann ebenfalls geändert werden, während die Breiten des konkaven Abschnitts 22 und des konvexen Abschnitts 24 geändert werden. Falls α = β in der obigen Beschreibung zutrifft, zeigt dies an, daß die Teilung konstant ist, während, falls sich α von β unterscheidet, dies anzeigt, daß sich die Teilung ändert.
[Bezugszahlen]

10 MEA, 12, 14 GASDIFFUSIONSPLATTE, 20, 30 SEPARATOR, 34 PORÖSE KÖRPERSCHICHT, 22 KONKAVER ABSCHNITT, 24 KONVEXER ABSCHNITT

Claims

Brennstoffzelle umfassend: eine Membran-Elektroden-Anordnung; und einen auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Separator, auf dessen Vorderseite und dessen Rückseite sich angeformte konkav und konvex gestaltete Bereiche befinden, wobei der Separator einen als konkaver Abschnitt auf der Seite der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildeten Gasströmungskanal besitzt und einen als konkaver Abschnitt auf der der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüberliegenden Seite ausgebildeten Kühlmittelströmungskanal, wobei eine Querschnittsfläche des den Gasströmungskanal des Separators bildenden konkaven Abschnitts so bemessen ist, daß er auf einer stromab gelegenen Seite des Gases relativ kleiner wird als auf einer stromauf gelegenen Seite des Gases und eine Querschnittsfläche des den Kühlmittelströmungskanal des Separators bildenden konkaven Abschnitts so bemessen ist, daß er auf einer stromab gelegenen Seite des Kühlmittels relativ größer wird als auf einer stromauf gelegenen Seite des Kühlmittels.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Gasströmungskanal ein geradliniger Strömungskanal ist mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß, die auf einer geraden Linie angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Gasströmungskanal ein schlangenförmiger Strömungskanal ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Gasströmungskanal ein schlangenförmiger Strömungskanal ist und der Kühlmittelkanal ein geradliniger Strömungskanal.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der sich der Separator auf der Anodenseite befindet und ein Strömungskanal als poröser Körper auf der Kathodenseite ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der sich der Separator auf der Anodenseite befindet und eine Strömungsrichtung des Gasströmungskanals auf der Anodenseite der Strömungsrichtung des Gasströmungskanals auf der Kathodenseite entgegengesetzt ist.