DE112012001737T5

DE112012001737T5 - Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE112012001737T5
Application number: DE112012001737.4T
Authority: DE
Inventors: Keiji Hashimoto; Kousuke Kawajiri; Satoshi Futami
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: US9190680B2; CN103477485A; DE112012001737B4; JP5678276B2; CA2831549A1; CN103477485B; WO2012144385A1; CA2831549C; JP2012226914A; US20140017582A1

Abstract

Eine Brennstoffbatterie (10) weist einen Oxidatorgas-Fließdurchgang (30) mit einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt, der als Furchenfließdurchgänge (35b) ausgeführt ist, und einem stromabwärts befindlichen Abschnitt auf, in dem ein poröser Gasdiffusionskörper (26) angeordnet ist. Die Brennstoffbatterie (10) umfasst einen Brennstoffgas-Fließdurchgang (40) mit einem stromaufwärts befindlichen Abschnitt, der als Furchenfließdurchgänge (45b) ausgeführt ist, und einem stromabwärts befindlichen Abschnitt, in dem ein poröser Gasdiffusionskörper (28) angeordnet ist. Zwischen einem ersten Separator (22) jeder Einheitszelle (12) der Brennstoffbatterie (10) und einem zweiten Separator (24) einer Einheitszelle (12) neben der Einheitszelle (12) ist ein Kühlmedium-Fließdurchgang (50) gebildet. Die Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang (50) ist die gleiche wie jene eines Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang (30). Ein stromaufwärts befindlicher Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs (50) liegt verglichen mit einem stromabwärts befindlichen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs (50) näher an einer Fläche eines Membranelektrodenaufbaus (20), die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang (30) neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang (50) gerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie.
In einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffbatterie sind Membranelektrodenaufbauten (MEAs) und Separatoren abwechselnd angeordnet. Der MEA ist aus einer Ionenaustauschelektrolytmembran, einer Anode (Brennstoffelektrode), die an einer Fläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einer Kathode (Sauerstoffelektrode), die an der anderen Fläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, gebildet. Die Separatoren bilden Fluiddurchgänge, um jeweils Brennstoffgas (Wasserstoff) und Oxidatorgas (Sauerstoff, normalerweise Luft) zu der Anode und der Kathode zu führen. Die Brennstoffbatterie weist einen Stapelaufbau auf, in dem Einheitszellen (elektrische Zellen), die jeweils aus einem MEA und einem Separator gebildet sind, gestapelt und zu einer Einheit ausgeführt sind. Da die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffbatterie unter anderen die Vorteile aufweist, dass sie leicht verkleinert werden kann und bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann, findet sie insbesondere als Stromversorgung für einen sich bewegenden Körper wie etwa ein Fahrzeug Beachtung.
Bei Brennstoffbatterien von dieser Art sind für den praktischen Einsatz eine Verkleinerung und geringere Kosten erwünscht. In dieser Hinsicht können dann, wenn eine Brennstoffbatterie unter einer hohen Temperatur und keiner Feuchtigkeit betriebsfähig ist, ein Kühlsystem und ein Befeuchtungssystem vereinfacht werden.
Das Patentdokument 1 offenbart eine unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit betriebsfähige Brennstoffbatterie, die so gestaltet ist, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Nähe des Einlasses des Oxidatorgas-Fließdurchgangs durch Erhöhen einer Brennstoffgas-Fließmenge oder Verringern eines Brennstoffgasdrucks erhöht wird, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der Nähe des Einlasses des Oxidatorgas-Fließdurchgangs, der am wahrscheinlichsten trocken werden wird, d. h., in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs, unzureichend ist.
Das Patentdokument 2 offenbart eine Brennstoffbatterie mit einem wie in 12 gezeigten Querschnitt. Jede Einheitszelle 100 der Brennstoffbatterie weist einen Membranelektrodenaufbau (MEA) 108 und ein Paar von Separatoren 110, 112 auf. Der Membranelektrodenaufbau 108 ist so aufgebaut, dass eine Polymerelektrolytmembran 102 zwischen eine Kathode (Sauerstoffelektrode) 104 und eine Anode (Brennstoffelektrode) 106 eingefügt ist. Die Separatoren 110, 112 jeder Einheitszelle 100 sind so angeordnet, dass sie den Membranelektrodenaufbau 108 einklemmen. Zwischen dem Separator 110 und der Kathode 104 ist ein Oxidatorgas-Fließdurchgang 114 gebildet. Zwischen dem Separator 112 und der Anode 106 ist ein Brennstoffgas-Fließdurchgang 116 gebildet. Die Kathode 104 ist durch Laminieren einer Kathodenkatalysatorschicht 104a und einer Gasdiffusionsschicht 104b gebildet. Die Anode 106 ist durch Laminieren einer Anodenkatalysatorschicht 106a und einer Gasdiffusionsschicht 106b gebildet. Jeder Separator 110, 112 weist mehrere Vertiefungen auf. Die Vertiefungen Vertiefung des Separators 110 jeder Einheitszelle 100 sind so angeordnet, dass sie zu den Vertiefungen des Separators 112 einer Einheitszelle 10 gerichtet sind, die sich neben dieser Einheitszelle 110 befindet; und durch diese zueinander gerichteten Vertiefungen sind Kühlmedium-Fließdurchgänge 120 gebildet. Da die Kühlmedium-Fließdurchgänge 120 nahe an den Membranelektrodenaufbauten 108 gebildet sind, wird die Brennstoffbatterie durch ein Kühlmedium (z. B. Kühlwasser), das in den Kühlmedium-Fließdurchgängen 120 fließt leistungsfähig bei einem geringen Wärmewiderstand gekühlt.
Das Patentdokument 3 offenbart eine Brennstoffbatterie mit einem wie in 13 gezeigten Querschnitt. In 13 sind Bestandteile, die jenen der Brennstoffbatterie von 12 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in 12 bezeichnet. In der Brennstoffbatterie von 13 sind poröse Gasdiffusionskörper 130, 140 jeweils in einem Brennstoffgas-Fließdurchgang 116 und einem Oxidatorgas-Fließdurchgang 114 bereitgestellt, um die Gase gleichmäßig in dem gesamten Brennstoffgas-Fließdurchgang 116 bzw. Oxidatorgas-Fließdurchgang 114 zu zerstreuen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffbatterie verbessert wird.
Ferner ist in einer in dem Patentdokument 4 offenbarten Brennstoffbatterie eine wasserleitende Schicht in einem porösen Gasdiffusionskörper bereitgestellt, um die Entwässerbarkeit im Hinblick auf das in der Brennstoffbatterie erzeugte Wasser zu verbessern.
DOKUMENTE DES STANDS DER TECHNIK:

Dokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-259758
Dokument 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-197222
Dokument 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-87768
Dokument 4: Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2010/113252

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die in den Dokumenten 1 und 2 offenbarten Brennstoffbatterien verfügen über hohe Kühleigenschaften und sind daher hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen ausgezeichnet. Doch die Entwässerbarkeit und die Gaszerstreuungsfähigkeit sind in der Nähe des Auslasses des Oxidatorgas-Fließdurchgangs, wo der Feuchtigkeitsgehalt besonders hoch ist, d. h., in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs, schlecht. Daher besteht das Problem, dass die Betriebsleistungsfähigkeit in einem Bereich, in dem eine Belastung der Brennstoffbatterie nicht sehr hoch ist, d. h., in einem normalen Temperaturbereich, in dem die Batterietemperatur etwa 50°C bis etwa 60°C beträgt, gering ist. Im Fall eines Elektrofahrzeugs, in dem eine Brennstoffbatterie von dieser Art angebracht ist, erzeugt die Brennstoffbatterie in dem normalen Temperaturbereich Strom, während das Fahrzeug mit einer Reisegeschwindigkeit fährt.
Die in dem Patentdokument 3 offenbarte Brennstoffbatterie weist insbesondere in einem normalen Temperaturbereich eine hervorragende Spannungsstabilität auf. Es besteht jedoch die Neigung, dass die Kühlleistungsfähigkeit in einer Hochtemperaturumgebung aufgrund eines hohen Wärmewiderstands unzureichend ist. Daher besteht das Problem, dass die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit nicht hoch ist.
Wenn wie in 12 gezeigt der Oxidatorgas-Fließdurchgang 114 und der Brennstoffgas-Fließdurchgang 116 durch die Vertiefungen, die an den gesamten Oberflächen der Separatoren 110, 112 bereitgestellt sind, gebildet sind, oder wenn wie in 13 gezeigt poröse Gasdiffusionskörper 130, 140 so angeordnet sind, dass sie den gesamten Oberflächen des Membranelektrodenaufbaus 108 entsprechen, ist es möglich, die Anode (die Brennstoffelektrode) und die Kathode (die Sauerstoffelektrode) gleichmäßig zu kühlen. Doch ein Teil der Kathode, der sich in der Nähe des Einlasses des Oxidatorgas-Fließdurchgangs (stromaufwärts gelegener Abschnitt) befindet, kann nicht aktiv gekühlt werden, weshalb das Problem einer schlechten Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen besteht.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffbatterie bereitzustellen, bei der durch Bereitstellen einer guten Entwässerbarkeit und Gaszerstreuungsfähigkeit insbesondere in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt eines Oxidatorgas-Fließdurchgangs, wo der Feuchtigkeitsgehalt hoch ist, die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit, die Betriebsleistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit und die Stromerzeugungsleistung verbessert werden können und die Spannungsstabilität in einem normalen Temperaturbereich verbessert werden kann.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die obige Aufgabe zu erfüllen und nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffbatterie bereitgestellt, die mehrere geschichtete Einheitszellen aufweist. Jede Einheitszelle weist einen Membranelektrodenaufbau, in dem an jeder der beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrode angeordnet ist, und einen ersten Separator und einen zweiten Separator auf, die so angeordnet sind, dass sie den Membranelektrodenaufbau dazwischen einklemmen. Zwischen dem ersten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ist ein Oxidatorgas-Fließdurchgang gebildet. Zwischen dem zweiten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ist ein Brennstoffgas-Fließdurchgang gebildet. Die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang jeder Einheitszelle ist zu jener des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang der gleichen Einheitszelle entgegengesetzt. Jeder Oxidatorgas-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs ist durch Bereitstellen mehrerer erster Vertiefungen an einer Fläche des ersten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs_Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt. In dem stromabwärts gelegenen Abschnitts jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs ist ein erster poröser Gasdiffusionskörper angeordnet. Jeder Brennstoffgas-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs ist durch Bereitstellen mehrerer zweiter Vertiefungen an einer Fläche des zweiten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt. In dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs ist ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper angeordnet. Zwischen dem ersten Separator jeder Einheitszelle und dem zweiten Separator einer Einheitszelle neben dieser Einheitszelle ist ein Kühlmedium-Fließdurchgang gebildet. Die Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang zwischen den nebeneinander gelegenen Einheitszellen ist die gleiche wie jene des Oxidatorgases in den Oxidatorgas-Fließdurchgängen dieser Einheitszellen. Jeder Kühlmedium-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs liegt verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des gleichen Kühlmedium-Fließdurchgangs näher an einer Fläche des Membranelektrodenaufbaus, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang gerichtet ist.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffbatterie bereitgestellt, die die mehrere geschichtete Einheitszellen aufweist. Jede Einheitszelle weist einen Membranelektrodenaufbau, in dem an jeder der beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrode angeordnet ist, und einen ersten Separator und einen zweiten Separator auf, die so angeordnet sind, dass sie den Membranelektrodenaufbau dazwischen einklemmen. Zwischen dem ersten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ist ein Oxidatorgas-Fließdurchgang gebildet. Zwischen dem zweiten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ist ein Brennstoffgas-Fließdurchgang gebildet. Die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang jeder Einheitszelle ist zu jener des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang der gleichen Einheitszelle entgegengesetzt. Jeder Oxidatorgas-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs ist durch Bereitstellen mehrerer erster Vertiefungen an einer Fläche des ersten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt. In dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs ist ein erster poröser Gasdiffusionskörper angeordnet. Jeder Brennstoffgas-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. In dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs sind an einer Fläche des zweiten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, mehrere zweite Vertiefungen bereitgestellt. In dem stromabwärts gelegenen Abschnitt und dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs ist ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper angeordnet. Zwischen dem ersten Separator jeder Einheitszelle und dem zweiten Separator einer Einheitszelle neben dieser Einheitszelle ist ein Kühlmedium-Fließdurchgang gebildet. Die Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang zwischen den nebeneinander gelegenen Einheitszellen ist die gleiche wie jene des Oxidatorgases in den Oxidatorgas-Fließdurchgängen dieser Einheitszellen. Jeder Kühlmedium-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs liegt verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt desgleichen Kühlmedium-Fließdurchgangs näher an einer Fläche des Membranelektrodenaufbaus, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang gerichtet ist.
Nach einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffbatterie bereitgestellt, die mehrere geschichtete Einheitszellen aufweist. Jede Einheitszelle weist einen Membranelektrodenaufbau, in dem an jeder der beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrode angeordnet ist, und einen ersten Separator und einen zweiten Separator auf, die so angeordnet sind, dass sie den Membranelektrodenaufbau dazwischen einklemmen. Zwischen dem ersten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ist ein Oxidatorgas-Fließdurchgang gebildet. Zwischen dem zweiten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ist ein Brennstoffgas-Fließdurchgang gebildet. Die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang jeder Einheitszelle ist die gleiche wie jene des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang der gleichen Einheitszelle. Jeder Oxidatorgas-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs ist durch Bereitstellen mehrerer erster Vertiefungen an einer Fläche des ersten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt. In dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs ist ein erster poröser Gasdiffusionskörper angeordnet. Jeder Brennstoffgas-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. In dem stromabwärts gelegenen Abschnitt und dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs ist ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper angeordnet. Zwischen dem ersten Separator jeder Einheitszelle und dem zweiten Separator einer Einheitszelle neben dieser Einheitszelle ist ein Kühlmedium-Fließdurchgang gebildet. Die Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang zwischen den nebeneinander gelegenen Einheitszellen ist die gleiche wie jene des Oxidatorgases in den Oxidatorgas-Fließdurchgängen dieser Einheitszellen. Jeder Kühlmedium-Fließdurchgang weist in Bezug auf die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs liegt verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des gleichen Kühlmedium-Fließdurchgangs näher an einer Fläche des Membranelektrodenaufbaus, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang gerichtet ist.
Bei den Brennstoffbatterien nach dem obigen ersten bis dritten Gesichtspunkt kann der erste Separator jeder Einheitszelle an einem Teil, der dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs entspricht, in einem Kontakt mit dem Membranelektrodenaufbau dieser Einheitszelle gehalten werden.
Bei den Brennstoffbatterien nach dem obigen ersten bis dritten Gesichtspunkt kann zwischen dem ersten Separator und dem ersten porösen Gasdiffusionskörper jeder Einheitszelle ein erster Wasserfließdurchgang zum Abgeben von Wasser in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang aus dem Oxidatorgas-Fließdurchgang bereitgestellt sein. Während das Oxidatorgas in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang fließt, bewegt sich das Wasser in dem ersten Wasserfließdurchgang in dem Zwischenraum in die gleiche Richtung wie die Fließrichtung des Oxidatorgases, und wird es aus dem Oxidatorgas-Fließdurchgang abgegeben.
Bei den Brennstoffbatterien nach dem obigen ersten bis dritten Gesichtspunkt kann zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper ein zweiter Wasserfließdurchgang zum Abgeben von Wasser in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang bereitgestellt sein. Während das Brennstoffgas in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang fließt, bewegt sich das Wasser in dem zweiten Wasserfließdurchgang in dem Zwischenraum in die gleiche Richtung wie die Fließrichtung des Brennstoffgases, und wird es aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang abgegeben.
Wirkungen der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung können die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit, die Betriebsleistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit und die Stromerzeugungsleistung verbessert werden und kann ferner die Spannungsstabilität in einem normalen Temperaturbereich verbessert werden, indem insbesondere in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt eines Oxidatorgas-Fließdurchgangs, wo der Feuchtigkeitsgehalt hoch ist, eine gute Entwässerbarkeit und Gaszerstreuungsfähigkeit bereitgestellt werden.
Wenn der erste Separator jeder Einheitszelle an einem Teil, der dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs entspricht, in einem Kontakt mit dem Membranelektrodenaufbau dieser Einheitszelle gehalten wird, kann der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs durch das Kühlmedium, das in dem Kühlmedium-Fließdurchgang fließt, wirksam gekühlt werden, was die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit, die Betriebsleistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit und die Stromerzeugungsleistung weiter verbessert.
Wenn zwischen dem ersten Separator und dem ersten porösen Gasdiffusionskörper jeder Einheitszelle ein erster Wasserfließdurchgang zum Abgeben von Wasser in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang aus dem Oxidationsmittel-Fließdurchgang bereitgestellt ist, wird die Entwässerbarkeit des Oxidatorgas-Fließdurchgangs verbessert, was dazu führt, dass die Leistungsfähigkeit der Stromerzeugung der Brennstoffbatterie und ihre Spannungsstabilität in einem normalen Temperaturbereich verbessert werden.
Wenn zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper jeder Einheitszelle ein zweiter Wasserfließdurchgang zum Abgeben von Wasser in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang bereitgestellt ist, wird die Entwässerbarkeit des Brennstoffgas-Fließdurchgangs verbessert, was dazu führt, dass die Leistungsfähigkeit der Stromerzeugung der Brennstoffbatterie verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die einen Teil einer Brennstoffbatterie nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine senkrechte Schnittansicht der in 1 gezeigten Brennstoffbatterie entlang einer senkrechten Ebene, die zwischen länglichen Vorsprüngen, welche an Separatoren bereitgestellt sind, verläuft;
3 ist eine senkrechte Schnittansicht der in 1 gezeigten Brennstoffbatterie entlang einer senkrechten Ebene, die durch die länglichen Vorsprünge, welche an den Separatoren bereitgestellt sind, verläuft;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines porösen Gasdiffusionskörpers der in 1 gezeigten Brennstoffbatterie;
5 ist eine waagerechte Schnittansicht der in 1 gezeigten Brennstoffbatterie entlang einer waagerechten Ebene, die durch stromaufwärts gelegene Abschnitte der Oxidatorgas-Fließabschnitte verläuft;
6 ist eine schematische Gesamtansicht der in 1 gezeigten Brennstoffbatterie;
7(a) ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines porösen Gasdiffusionskörpers einer Brennstoffbatterie nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7(b) ist eine Ansicht, die einen Wasserfließdurchgang zeigt, der zwischen dem in 7(a) gezeigten porösen Gasdiffusionskörper und einem Separator bereitgestellt ist;
8 ist eine Schnittansicht, die einen Teil einer Einheitszelle der Brennstoffbatterie der zweiten Ausführungsform zeigt;
9 ist eine senkrechte Schnittansicht einer Brennstoffbatterie nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang einer senkrechten Ebene, die zwischen länglichen Vorsprüngen, welche an Separatoren bereitgestellt sind, verläuft;
10 ist eine senkrechte Schnittansicht der Brennstoffbatterie der dritten Ausführungsform entlang einer senkrechten Ebene, die durch die länglichen Vorsprünge, welche an den Separatoren bereitgestellt sind, verläuft;
11 ist eine senkrechte Schnittansicht einer Brennstoffbatterie nach einer Abwandlung entlang einer senkrechten Ebene, die durch längliche Vorsprünge, welche an Separatoren bereitgestellt sind, verläuft;
12 ist eine waagerechte Schnittansicht einer herkömmlichen Brennstoffbatterie; und
13 ist eine waagerechte Schnittansicht einer anderen herkömmlichen Brennstoffbatterie.
AUSFÜHRUNGSWEISEN DER ERFINDUNG
Erste Ausführungsform
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 1 bis 6 eine Brennstoffbatterie nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Wie in 6 gezeigt weist eine Brennstoffbatterie 10 einen Stapelaufbau auf, in dem mehrere Einheitszellen 12 (siehe 2) gestapelt sind. Die gestapelten Einheitszellen 12 sind zwischen einem Paar von Stromabnahmeplatten 11 angeordnet. Die beiden Stromabnahmeplatten 11 sind zwischen einem Paar von Isolierplatten 13 angeordnet. Die beiden Isolierplatten 13 sind zwischen einem Paar von Endplatten 15 angeordnet. Die Einheitszellen 12, die Stromabnahmeplatten 11 und die Isolierplatten 13 sind durch eine Befestigung mittels Befestigungsschrauben 17 zwischen den beiden Endplatten 15 eingeklemmt.
Ein Oxidatorgas-Leitungssystem, ein Brennstoffgas-Leitungssystem und ein Kühlmedium-Leitungssystem sind an die Brennstoffbatterie 10 angeschlossen. Das Oxidatorgas-Leitungssystem dient zur Zufuhr und zur Abfuhr von Luft (Sauerstoff) als Oxidatorgas zu und von der Brennstoffbatterie 10 und weist wie in 6 gezeigt eine Oxidatorgas-Zufuhrleitung 51, die an eine nicht dargestellte Oxidatorgas-Zufuhröffnung der Brennstoffbatterie 10 angeschlossen ist, und eine Oxidatorgas-Auslassleitung 52, die an eine nicht dargestellte Oxidatorgas-Auslassöffnung der Brennstoffbatterie 10 angeschlossen ist, auf.
Das Brennstoffgas-Leitungssystem dient zur Zufuhr und zur Abfuhr von Wasserstoff als Brennstoffgas zu und von der Brennstoffbatterie 10 und weist eine Brennstoffgas-Zufuhrleitung 54, die an eine nicht dargestellte Brennstoffgas-Zufuhröffnung der Brennstoffbatterie 10 angeschlossen ist, und eine Brennstoffgas-Auslassleitung 56, die an eine nicht dargestellte Brennstoffgas-Auslassöffnung der Brennstoffbatterie 10 angeschlossen ist, auf.
Das Kühlmedium-Leitungssystem dient zur Zufuhr und zur Abfuhr von Wasser als Kühlmedium zu und von der Brennstoffbatterie 10 und weist eine Kühlmedium-Zufuhrleitung 58, die an eine nicht dargestellte Kühlmedium-Zufuhröffnung der Brennstoffbatterie 10 angeschlossen ist, und eine Kühlmedium-Auslassleitung 60, die an eine nicht dargestellte Kühlmedium-Auslassöffnung der Brennstoffbatterie 10 angeschlossen ist, auf.
(Die Einheitszelle 12)
Wie in 2 gezeigt weist jede Einheitszelle 12 einen Membranelektrodenaufbau (MEA) 20 auf, worin eine Festpolymerelektrolytmembran 14 zwischen einer Anode 16 und einer Kathode 18 bereitgestellt ist. Der MEA 20 ist zwischen einem ersten Separator 22 und einem zweiten Separator 24 angeordnet. Zwischen dem ersten Separator 22 und dem MEA 20 ist ein erster poröser Gasdiffusionskörper 26 angeordnet. Zwischen dem zweiten Separator 24 und dem MEA 20 ist ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper 28 angeordnet.
In dem MEA 20 ist die Anode 16, die eine Brennstoffelektrode ist, an einer Fläche der Elektrolytmembran 14 angeordnet, und ist die Kathode 18, die eine Sauerstoffelektrode ist, an der anderen Fläche der Elektrolytmembran 14 angeordnet.
Die Elektrolytmembran 14 ist aus einem Festpolymermaterial mit guter Protonenleitfähigkeit in einem nassen Zustand gebildet. Beispiele für ein solches Festpolymermaterial beinhalten eine fluorierte Polymermembran (z. B. eine von Du Pont hergestellte Nafion-Membran).
Die Anode 16 weist eine Elektrodenkatalysatorschicht 16a und eine Gasdiffusionsschicht 16b auf. Die Kathode 18 weist eine Elektrodenkatalysatorschicht 18a und eine Gasdiffusionsschicht 18b auf. Die Elektrodenkatalysatorschichten 16a, 18a stehen mit der Elektrolytmembran 14 in Kontakt und sind aus elektrisch leitendem Ruß gebildet, der Platin-Feinpartikel trägt. Die Gasdiffusionsschichten 16b, 18b sind auf die Elektrodenkatalysatorschichten 16a, 18a geschichtet und aus elektrisch leitendem Kohlepapier gebildet. Das in den Elektrodenkatalysatorschichten 16a, 18a enthaltene Platin fördert eine Reaktion, um Wasserstoff in Protonen und Elektronen zu trennen, und eine Reaktion, um aus Sauerstoff, den Protonen und den Elektronen Wasser zu erzeugen. Anstelle von Platin kann ein ähnlich wirkender Katalysator verwendet werden. Ferner können die Gasdiffusionsschichten 146b, 18b aus einem anderen Material als Kohlepapier gebildet sein, sofern dieses Material ein ausreichendes Gasdiffusionsvermögen und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zum Beispiel können die Gasdiffusionsschichten 16b, 18b aus einem Kohletuch oder einem Kohlefilz, das bzw. der aus Kohlefasern hergestellt ist, gebildet sein.
(Der erste Separator 22 und der Oxidatorgas-Fließdurchgang 30)
Der erste Separator 22 ist aus Titan gebildet und ist elektrisch leitfähig. Doch das Material des ersten Separators 22 ist nicht auf Titan beschränkt. Der erste Separator 22 kann aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material auf Basis von Kohlenstoff oder Metall gebildet sein. Wie in 2 gezeigt ist zwischen dem ersten Separator 22 und dem MEA 20 jeder Einheitszelle 10 ein Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 gebildet. Der Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 ist über nicht dargestellte Sammelöffnungen an die Oxidatorgas-Zufuhröffnung und die Oxidatorgas-Auslassöffnung, die an der Brennstoffbatterie 10 bereitgestellt sind, angeschlossen.
Wie in 1 gezeigt weist jeder erste Separator 22 einen großformatigen flachen Plattenabschnitt 32, der sich an der stromabwärts gelegenen Seite des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 befindet, und einen kleinformatigen flachen Plattenabschnitt 34, der sich an der stromaufwärts gelegenen Seite des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 befindet, auf. Die beiden flachen Plattenabschnitte 32, 34 jedes ersten Separators 22 sind zueinander parallel und durch einen Stufenabschnitt 33 miteinander verbunden und vereinigt. Wie in 2 gezeigt befindet sich der großformatige flache Plattenabschnitt 32 des ersten Separators 22 jeder Einheitszelle 12 im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem MEA 20 dieser Einheitszelle 12 und dem MEA 20 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12. Die Länge des kleinformatigen flachen Plattenabschnitts 34 jedes ersten Separators 22 in der Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30, d. h., seine Länge in einer ersten Richtung, die in 2 durch gestrichelte Pfeile U angegeben ist, ist kürzer als jene des großformatigen flachen Plattenabschnitts 32 des gleichen ersten Separators 22. Der Stufenabschnitt 33 ist in Bezug auf die erste Richtung U geneigt.
Wie in 1 und 5 gezeigt weist jeder erste Separator 22 mehrere längliche Vorsprünge 35 auf, die sich parallel zu der ersten Richtung U erstrecken. Die länglichen Vorsprünge 35 des ersten Separators 22 jeder Einheitszelle 12 sind durch Formpressen so gebildet, dass sich zu dem MEA 20 der gleichen Einheitszelle 12 erstrecken. Die länglichen Vorsprünge 35 jedes ersten Separators 22 erstrecken sich von einer ungefähren Mitte des großformatigen flachen Plattenabschnitts 32 in der ersten Richtung U über den Stufenabschnitt 33 zu einer ungefähren Mitte des kleinformatigen flachen Plattenabschnitts 34 in der ersten Richtung U.
Die zueinander benachbarten länglichen Vorsprünge 35 jedes ersten Separators 22 sind vorzugsweise in gleichen Abständen angeordnet, können aber in manchen Fällen in ungleichmäßigen Abständen angeordnet sein.
Durch Bilden der länglichen Vorsprünge 35 mittels Pressen weist der erste Separator 22 jeder Einheitszelle 12 wie in 5 gezeigt an einer Fläche, die zu jener, welche zu dem MEA 20 der Einheitszelle 12 gerichtet ist, entgegengesetzt ist, mehrere Vertiefungen 36 auf, die sich parallel zu der ersten Richtung U erstrecken. Ferner sind zwischen den einander benachbarten länglichen Vorsprüngen 35 jedes ersten Separators 22 wie in 1 und 5 gezeigt jeweils erste Vertiefungen 35b gebildet. Ein Teil jedes länglichen Vorsprungs 35, der zu dem MEA 20 gerichtet ist, ist wie in 1 und 5 gezeigt als flacher Wandabschnitt 35a gebildet und wird wie in 3 und 5 gezeigt in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 in einem engen Kontakt mit der Kathode 18 (der Gasdiffusionsschicht 18b) des MEA 20 gehalten.
Der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 ist durch Bereitstellen der ersten Vertiefungen 35b an einer Fläche des ersten Separators 22, die zu dem MEA 20 gerichtet ist, als mehrere voneinander unabhängige Vertiefungs-Fließdurchgänge ausgeführt. Der erste poröse Gasdiffusionskörper 26 ist in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 angeordnet.
(Der zweite Separator 24 und der Brennstoffgas-Fließdurchgang 40)
Der zweite Separator 24 ist aus Titan gebildet und ist elektrisch leitfähig. Doch das Material des zweiten Separators 24 ist nicht auf Titan beschränkt. Der zweite Separator 24 kann aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material auf Basis von Kohlenstoff oder Metall gebildet sein.
Wie in 2 gezeigt ist zwischen dem zweiten Separator 24 und dem MEA 20 jeder Einheitszelle 12 ein Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 gebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 und jene des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 zueinander entgegengesetzt. Im Besonderen fließen das Oxidatorgas und das Brennstoffgas so, dass sie gegenläufige Ströme bilden. Der Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 ist über nicht dargestellte Sammelöffnungen an die Brennstoffgas-Zufuhröffnung und die Brennstoffgas-Auslassöffnung, die an der Brennstoffbatterie 10 bereitgestellt sind, angeschlossen.
Wie in 1 gezeigt weist jeder zweite Separator 24 einen großformatigen flachen Plattenabschnitt 42, der sich an der stromabwärts gelegenen Seite des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet, und einen kleinformatigen flachen Plattenabschnitt 44, der sich an der stromaufwärts gelegenen Seite des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet, auf. Die beiden flachen Plattenabschnitte 42, 44 jedes zweiten Separators 24 sind zueinander parallel und durch einen Stufenabschnitt 43 miteinander verbunden und vereinigt. Wie in 2 gezeigt befindet sich der großformatige flache Plattenabschnitt 42 des zweiten Separators 24 jeder Einheitszelle 12 im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem MEA 20 dieser Einheitszelle 12 und dem MEA 20 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12. Die Länge des kleinformatigen flachen Plattenabschnitts 44 jedes zweiten Separators 24 in der Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40, d. h., seine Länge in einer zweiten Richtung, die in 2 durch gestrichelte Pfeile P angegeben ist, ist kürzer als jene des großformatigen flachen Plattenabschnitts 42 des gleichen zweiten Separators 24. Der Stufenabschnitt 43 ist in Bezug auf die zweite Richtung P geneigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Richtung P in Bezug auf die erste Richtung U um 180° entgegengesetzt.
Wie in 2 und 3 gezeigt weist jeder zweite Separator 24 mehrere längliche Vorsprünge 45 auf, die sich parallel zu der zweiten Richtung P erstrecken. Die Anzahl und der Abstand der länglichen Vorsprünge 45, die an jedem zweiten Separator 24 bereitgestellt sind, sind jenen der länglichen Vorsprünge 35, die an jedem ersten Separator 22 bereitgestellt sind, gleich. Der erste Separator 22 und der zweite Separator 24 sind so angeordnet, dass die länglichen Vorsprünge 35 und die länglichen Vorsprünge 45 jeweils miteinander übereinstimmen.
Die länglichen Vorsprünge 45 des zweiten Separators 24 jeder Einheitszelle 12 sind durch Formpressen so gebildet, dass sich zu dem MEA 20 der gleichen Einheitszelle 12 erstrecken. Die länglichen Vorsprünge 45 jedes zweiten Separators 24 erstrecken sich von einer ungefähren Mitte des großformatigen flachen Plattenabschnitts 42 in der zweiten Richtung P über den Stufenabschnitt 43 zu einer ungefähren Mitte des kleinformatigen flachen Plattenabschnitts 43 in der zweiten Richtung P.
Durch Bilden der länglichen Vorsprünge 45 mittels Pressen weist der zweite Separator 24 jeder Einheitszelle 12 wie in 1 gezeigt an einer Fläche, die zu jener, welche zu dem MEA 20 der Einheitszelle 12 gerichtet ist, entgegengesetzt ist, mehrere Vertiefungen 46 auf, die sich parallel zu der zweiten Richtung P erstrecken. Ferner sind zwischen den einander benachbarten länglichen Vorsprüngen 45 jedes zweiten Separators 24 wie in 2 gezeigt jeweils zweite Vertiefungen 45b gebildet.
Ein Teil jedes länglichen Vorsprungs 45, der zu dem MEA 20 gerichtet ist, ist wie in 2 und 3 gezeigt als flacher Wandabschnitt 45a gebildet und wird in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 in einem engen Kontakt mit der Anode 16 (der Gasdiffusionsschicht 16b) des MEA 20 gehalten.
Der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 ist durch Bereitstellen der zweiten Vertiefungen 45b an einer Fläche des zweiten Separators 24, die zu dem MEA 20 gerichtet ist, als mehrere voneinander unabhängige Vertiefungs-Fließdurchgänge ausgeführt. Der zweite poröse Gasdiffusionskörper 28 ist in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 angeordnet.
Wie in 2 gezeigt wird der großformatige flache Plattenabschnitt 42 des zweiten Separators 42 jeder Einheitszelle 12 in einem engen Kontakt mit dem großformatigen flachen Plattenabschnitt 32 des ersten Separators 22 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12 gehalten und ist er elektrisch damit verbunden.
Ferner stehen die Vertiefungen 46 des zweiten Separators 24 jeder Einheitszelle 12 in einem Bereich, der in 3 durch das Bezugszeichen A angegeben ist, auf eine überlappende Weise mit den Vertiefungen 36 des ersten Separators 22 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12 in Verbindung.
(Der Kühlmedium-Fließdurchgang 50)
Durch den ersten Separator 22 jeder Einheitszelle 12 und den zweiten Separator 24 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12, genauer durch die Vertiefungen 36, die an dem ersten Separator 22 bereitgestellt sind, und die Vertiefungen 46, die an dem zweiten Separator 24 bereitgestellt sind, ist ein Kühlmedium-Fließdurchgang 50 gebildet. Ein Zwischenraum zwischen dem kleinformatigen Plattenabschnitt 34 des ersten Separators 22 und dem großformatigen Plattenabschnitt 42 des zweiten Separators 24 wirkt als der Einlass des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50, und ein Zwischenraum zwischen dem kleinformatigen Plattenabschnitt des zweiten Separators 24 und dem großformatigen Plattenabschnitt 32 des ersten Separators 22 wirkt als der Auslass des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50.
Wie in 3 gezeigt befindet sich der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs 50, d. h., die Vertiefungen 36, verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50, d. h., den Vertiefungen 46, näher an einer Fläche des MEA 20, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50 gerichtet ist. Mit anderen Worten befindet sich der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 dicht an dem MEA 20 jener Einheitszelle 12, die den ersten Separator 22 aus dem ersten Separator 22 und zweiten Separator 24, welche den Kühlmedium-Fließdurchgang 50 bilden, aufweist. Ferner befindet sich der stromabwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs 50, d. h. die Vertiefungen 46, verglichen mit dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50, d. h., den Vertiefungen 36, näher an einer Fläche des MEA 20, die zu dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50 gerichtet ist. Mit anderen Worten befindet sich der stromabwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 dicht an dem MEA 20 jener Einheitszelle 12, die den zweiten Separator 24 aus dem ersten Separator 22 und zweiten Separator 24, welche den Kühlmedium-Fließdurchgang 50 bilden, aufweist.
Der Kühlmedium-Fließdurchgang 50 ist über nicht dargestellte Sammelöffnungen mit der Kühlmedium-Zufuhröffnung und der Kühlmedium-Auslassöffnung, die an der Brennstoffbatterie 10 bereitgestellt sind, verbunden. Die in 3 durch gestrichelte Pfeile S angegebene Fließrichtung des Kühlmediums wie etwa Kühlwasser in dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50 ist die gleiche wie die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30. Im Besonderen fließen das Kühlmedium und das Oxidatorgas so, dass sie zueinander parallele Ströme (Co-Ströme) bilden.
Durch das wie oben beschriebenen Bilden des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 wird ein Teil der Kathode 18, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 befindet, wirksam durch den stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 gekühlt, wohingegen ein Teil der Anode 16, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet, wirksam durch den stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 gekühlt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann wie gerade beschrieben anstelle einer gleichmäßigen Kühlung der gesamten jeweiligen Kathode 18 und Anode 16 eine aktive Kühlung des in der Nähe des Einlasses des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 gelegenen Teils der Kathode 19, der am wahrscheinlichsten trocken werden wird, d. h., eines Teils der Kathode, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 befindet, erfolgen.
(Die porösen Gasdiffusionskörper 26, 28)
Als nächstes werden die porösen Gasdiffusionskörper 26, 28 beschrieben. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil des ersten porösen Gasdiffusionskörpers 26 zeigt. Der zweite poröse Gasdiffusionskörper 28 weist ebenfalls die gleiche Gestaltung wie der erste poröse Gasdiffusionskörper 26 auf.
Jeder poröse Gasdiffusionskörper 26, 28 ist wie in 4 gezeigt aus einer Metallleiste gebildet, in der mehrere sechseckige Ringabschnitte 26a, 28a auf eine gestaffelte Weise bereitgestellt sind. Jeder poröse Gasdiffusionskörper 26, 28 ist so in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 oder dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 angeordnet, dass die Achsen der Durchgangslöcher 26b, 28b der Ringabschnitte 26a, 28a die erste Richtung U oder die zweite Richtung P schneiden. Somit wird das Oxidatorgas oder das Brennstoffgas in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 oder dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 durch den Verlauf durch Gasfließdurchgänge 26c, 28c des porösen Gasdiffusionskörpers 26, 28, bei denen es sich um die Durchgangslöcher 26b, 28b der Ringabschnitte 26a, 28a handelt, zerstreut.
Der erste poröse Gasdiffusionskörper 26 jeder Einheitszelle 12 wird in Kontakt mit der Kathode 18 und dem ersten Separator 22 dieser Einheitszelle 12 gehalten, um die Kathode 18 und den ersten Separator 22 elektrisch zu verbinden. Der zweite poröse Gasdiffusionskörper 28 jeder Einheitszelle 12 wird in Kontakt mit der Anode 16 und dem zweiten Separator 24 dieser Einheitszelle 12 gehalten, um die Anode 16 und den zweiten Separator 24 elektrisch zu verbinden.
Als nächstes wird der Betrieb der Brennstoffbatterie 10 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben werden.
Wenn die Brennstoffbatterie 10 Strom erzeugt, verlaufen das Oxidatorgas (bei der vorliegenden Ausführungsform Luft) und das Brennstoffgas (bei der vorliegenden Ausführungsform Wasserstoff) wie in 2 gezeigt so durch den Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 bzw. den Brennstoffgas-Fließdurchgang 40, dass sie gegenläufige Ströme bilden. Ferner verläuft das Kühlmedium in der gleichen Richtung wie der Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 durch den Kühlmedium-Fließdurchgang 50.
Wie in 3 gezeigt gelangt das Kühlmedium durch den Zwischenraum zwischen dem kleinformatigen flachen Plattenabschnitt 34 des ersten Separators 22 und dem großformatigen flachen Plattenabschnitt 42 des zweiten Separators 24 in den Kühlmedium-Fließdurchgang 50 und verläuft es zuerst durch die Vertiefungen 36. Durch den Verlauf des Kühlmediums durch die Vertiefungen 36 wird ein Teil der Kathode 18, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Oxidationsmittel-Fließdurchgangs 30 befindet, über die Wandabschnitte 35a gekühlt. Der Pfeil Q in 3 gibt eine Wärmeübertragungsrichtung von der Kathode 18 an.
Anschließend verläuft das Kühlmedium durch die Vertiefungen 46. Durch den Durchgang des Kühlmediums durch die Vertiefungen 46 wird ein Teil der Anode 16, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet, über die Wandabschnitte 45a gekühlt. Der Pfeil R in 3 gibt eine Wärmeübertragungsrichtung von der Anode 16 an. Danach verlässt das Kühlmedium den Kühlmedium-Fließdurchgang 50 durch den Zwischenraum zwischen dem kleinformatigen flachen Plattenabschnitt 44 des zweiten Separators 24 und dem großformatigen flachen Plattenabschnitt 32 des ersten Separators 22. Wie beschrieben wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Teil der Kathode 18, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 befindet, aktiver gekühlt, als ein Teil der Kathode 18, der sich in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 befindet. Ferner wird ein Teil der Anode 16, der sich in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet, aktiver gekühlt, als ein Teil der Anode 16, der sich in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet.
Im Allgemeinen ist im Fall eines Betriebs der Brennstoffbatterie 10 durch Zufuhr von nicht befeuchtetem Brennstoffgas und Oxidatorgas, d. h., im Fall eines nicht befeuchteten Betriebs, die Verteilung der Feuchtigkeit in der Ebene in jeder Einheitszelle 12 der Brennstoffbatterie 10 wahrscheinlich ungleichmäßig. Genauer neigt die Umgebung des Einlasses (der stromaufwärts gelegene Abschnitt) des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 dazu, trocken zu werden, und neigt die Umgebung des Auslasses (der stromabwärts gelegene Abschnitt) des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 dazu, feucht zu werden. Somit muss der Feuchtigkeitsgehalt in der Ebene jeder Einheitszelle 12 gleichmäßig gestaltet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit der Brennstoffbatterie 10 durch das wie oben beschriebene aktive Kühlen der Umgebungen der Einlässe (der stromaufwärts gelegenen Abschnitte) der Oxidatorgas-Fließdurchgänge 30 verbessert.
In dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 nimmt die Sauerstoffkonzentration ab, während der Sauerstoff in dem Oxidatorgas durch die Stromerzeugung verbraucht wird, und wird durch eine Reaktion auf der Kathode 18 Wasser erzeugt. Das erzeugte Wasser wird mit Hilfe des Oxidatorgases (des Oxidationsmittel-Abgases), das durch die Gasfließdurchgänge 26c in dem ersten porösen Gasdiffusionskörper 26 hindurch in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 fließt, nach außerhalb des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 abgegeben. Da der erste poröse Gasdiffusionskörper 26 in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 angeordnet ist, wird eine Behinderung der Gasdiffusion in der Gasdiffusionsschicht 18b durch das erzeugte Wasser unterdrückt. Als Ergebnis wird die Leistungsfähigkeit der Stromerzeugung in der Brennstoffbatterie 10 verbessert. Da ferner die Entwässerbarkeit in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 verbessert wird, wird die Spannungsstabilität in einem normalen Temperaturbereich verbessert.
Ein Teil des erzeugten Wassers dringt durch die Elektrolytmembran 14 und sickert in die Elektrodenkatalysatorschicht 16a und die Gasdiffusionsschicht 16b der Anode und den zweiten porösen Gasdiffusionskörper 28 in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40.
Das einsickernde Wasser wird mit Hilfe des Brennstoffgases (des Brennstoff-Abgases), das durch die Gasfließdurchgänge 28c des zweiten porösen Gasdiffusionskörpers 28 hindurch in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 fließt, nach außerhalb des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 abgegeben.
Die vorliegende Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf.

(1) Im Fall der Brennstoffbatterie 10 der vorliegenden Ausführungsform weist der Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 den stromaufwärts gelegenen Abschnitt, der als die Vertiefungs-Fließdurchgänge ausgeführt ist, und den stromabwärts gelegenen Abschnitt, in dem der poröse Gasdiffusionskörper 26 angeordnet ist, auf. Der Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 weist den stromaufwärts gelegenen Abschnitt, der als die Vertiefungs-Fließdurchgänge ausgeführt ist, und den stromabwärts gelegenen Abschnitt, in dem der poröse Gasdiffusionskörper 28 angeordnet ist, auf. Der Kühlmedium-Fließdurchgang 50 ist zwischen dem ersten Separator 22 jeder Einheitszelle 12 und dem zweiten Separator 24 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12 gebildet. Die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50orgases in dem ist die gleiche wie jene des OxidatOxidatorgas-Fließdurchgang 30. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 liegt verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 näher an einer Fläche des MEA 20, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50 gerichtet ist. Somit werden nach der Brennstoffbatterie 10 der vorliegenden Ausführungsform die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit, die Betriebsleistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit und die Stromerzeugungsleistung verbessert. Da die Entwässerbarkeit und die Gaszerstreuungsfähigkeit in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs, in dem der Feuchtigkeitsgehalt besonders hoch ist, gut sind, wird ferner die Spannungsstabilität in dem normalen Temperaturbereich verbessert. Als Ergebnis der Verbesserungen der Betriebsleistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit, und der Stromerzeugungsleistung können die Größe und die Kosten der Brennstoffbatterie 10 verringert werden.

Ferner sind die porösen Gasdiffusionskörper 26, 28 im Fall der Brennstoffbatterie 10 der vorliegenden Ausführungsform nur in den jeweiligen stromabwärts gelegenen Abschnitten des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 und des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 angeordnet. Somit kann die Brennstoffbatterie 10 verglichen mit dem Fall, in dem poröse Gasdiffusionskörper so angeordnet sind, dass sie der jeweiligen gesamten Fläche der Anode 16 und der Kathode 18 entsprechen, leichter ausgeführt werden.

(2) Im Fall der Brennstoffbatterie 10 der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Separator 22 jeder Einheitszelle 12 an einem Teil, der dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs 50 entspricht, in einem Kontakt mit der Kathode 18 des MEA 20 dieser Einheitszelle 12 gehalten. Dadurch kann der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 durch das Kühlmedium, das in dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50 fließt, aktiv gekühlt werden und können die Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit, die Betriebsleistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen und keiner Feuchtigkeit und die Stromerzeugungsleistung weiter verbessert werden.

Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 7(a), 7(b) und 8 eine Brennstoffbatterie nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Die Brennstoffbatterie der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform darin, dass anstelle des ersten und des zweiten porösen Gasdiffusionskörpers 26, 28, die in 4 gezeigt sind, ein erster und ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper 70, 80, die in 7(a) gezeigt sind verwendet werden. Bestandteile der Brennstoffbatterie der zweiten Ausführungsform, die mit jenen der Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform identisch sind oder diesen entsprechen (mit Ausnahme des ersten und des zweiten porösen Gasdiffusionskörpers 70, 80) sind mit den gleichen Bezugszeichen, die in der Beschreibung der ersten Ausführungsform verwendet wurden, bezeichnet.
Wie in 7(a) gezeigt umfassen der erste und der zweite poröse Gasdiffusionskörper 70, 80 einen flachen Plattenabschnitt 72, 82 mit mehreren ausgeschnittenen und hochgezogenen Abschnitten mit einem im Wesentlichen S-förmigen Querschnitt. Jeder ausgeschnittene und hochgezogene Abschnitt ist einstückig mit dem flachen Plattenabschnitt 72, 82 ausgeführt und bildet einen ersten Vorsprung 74, 84 und einen zweiten Vorsprung 76, 86. Der erste Vorsprung 74, 84 ist ein Teil des ausgeschnittenen und hochgezogenen Abschnitts, der von einer Fläche des flachen Plattenabschnitts 72, 82 vorspringt, und weist einen flachen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Querschnittform des ersten Vorsprungs 74, 84 kann halbkreisförmig sein. Der zweite Vorsprung 76, 86 ist ein anderer Teil des ausgeschnittenen und hochgezogenen Abschnitts, der von der anderen Fläche des flachen Plattenabschnitts 72, 82 vorspringt und einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Querschnittform des zweiten Vorsprungs 76, 86 kann trapezförmig sein. Eine Höhe des zweiten Vorsprungs 76, 86 ist geringer als jene des ersten Vorsprungs 74, 84.
Wie in 8 gezeigt ist der erste poröse Gasdiffusionskörper 70 so in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt eines Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 angeordnet, dass die ersten Vorsprünge 74 mit einer Gasdiffusionsschicht 18b einer Kathode 18 in Kontakt stehen und die zweiten Vorsprünge 76 mit einem ersten Separator 22 in Kontakt stehen. Ebenso ist der zweite poröse Gasdiffusionskörper 80 so in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt eines Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 angeordnet, dass die ersten Vorsprünge 84 mit einer Gasdiffusionsschicht 16b einer Anode 16 in Kontakt stehen und die zweiten Vorsprünge 86 mit einem zweiten Separator 24 in Kontakt stehen.
Wie in 7(a) und 8 gezeigt ist zwischen dem ersten Separator 22 und dem ersten porösen Gasdiffusionskörper 70 und genauer zwischen dem ersten Separator 22 und dem flachen Plattenabschnitt 72 des ersten porösen Gasdiffusionskörpers 70 ein Zwischenraum gebildet, der eine Höhe aufweist, die der Höhe der zweiten Vorsprünge 76 gleich ist. Dieser Zwischenraum wirkt als erster Wasserfließdurchgang 78, um Wasser in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 aus dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 abzugeben. Im Besonderen ist der stromabwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 durch den flachen Plattenabschnitt 72 in den ersten Wasserfließdurchgang 78 und den anderen Teil unterteilt. Der erste Wasserfließdurchgang 78 steht durch Aussparungen 75, die gebildet werden, wenn die ersten Vorspringe 74 durch Ausschneiden und Hochziehen gebildet werden, mit dem anderen Teil des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 in Verbindung. Die Breite des ersten Wasserfließdurchgangs 78 beträgt zum Beispiel 5 μm bis 30 μm und ist geringer als die Breite des anderen Teils des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 von z. B. 100 μm bis 500 μm. Wasser, das durch eine Reaktion auf der Kathode 18 erzeugt wurde, bewegt sich durch eine Kapillarwirkung durch die Aussparungen 75 in den ersten Wasserfließdurchgang 78. Dann bewegt sich das Wasser mit dem Fluss des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 in eine erste Richtung U in dem ersten Wasserfließdurchgang 78 in die gleiche Richtung, d. h., die Pfeilrichtung in 7(b), und wird es aus dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 abgegeben.
Ebenso ist zwischen dem zweiten Separator 24 und dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper 80 und genauer zwischen dem zweiten Separator 24 und dem flachen Plattenabschnitt 82 des zweiten porösen Gasdiffusionskörpers 80 ein Zwischenraum mit einer Breite, die der Höhe der zweiten Vorsprünge 86 gleich ist, gebildet. Dieser Zwischenraum wirkt als ein zweiter Wasserfließdurchgang 88, um Wasser in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 abzugeben. Im Besonderen ist der stromabwärts gelegene Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 durch den flachen Plattenabschnitt 82 in den zweiten Wasserfließdurchgang 88 und den anderen Teil unterteilt. Der zweite Wasserfließdurchgang 88 steht durch Aussparungen 85, die gebildet werden, wenn die zweiten Vorsprünge 84 durch Ausschneiden und Hochziehen gebildet werden, mit dem anderen Teil des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 in Verbindung. Die Breite des zweiten Wasserfließdurchgangs 88 beträgt zum Beispiel 5 μm bis 30 μm und ist geringer als die Breite des anderen Teils des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 von z. B. 100 μm bis 500 μm. Wasser, das nach seiner Erzeugung durch eine Reaktion auf der Kathode 18 durch eine Elektrolytmembran 14 gedrungen ist und in den Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 gesickert ist, bewegt sich durch eine Kapillarwirkung durch die Aussparungen 85 in den zweiten Wasserfließdurchgang 88. Dann bewegt sich das Wasser mit dem Fluss des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 in eine zweite Richtung P in dem zweiten Wasserfließdurchgang 88 in die gleiche Richtung, d. h., in eine Richtung, die zu der Pfeilrichtung in 7(b) entgegengesetzt ist, und wird es aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 abgegeben.
Die zweite Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf.

(1) Im Fall der Brennstoffbatterie der zweiten Ausführungsform ist der erste Wasserfließdurchgang 78 zwischen dem ersten Separator 22 und dem ersten porösen Gasdiffusionskörper 70 jeder Einheitszelle 12 bereitgestellt und bewegt sich Wasser in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 mit dem Fluss des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 in dem ersten Wasserfließdurchgang 78 in die gleiche Oxidatorgases und wird es aus dem Richtung wie die Fließrichtung des Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 abgegeben. Auf diese Weise wird die Entwässerbarkeit des Oxidatorgas Fließdurchgangs 30 verbessert. Als Ergebnis wird das in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 fließende Oxidatorgas unter passender Zerstreuung stabil zu einer Elektrodenkatalysatorschicht 18a der Kathode 18 geführt. Ferner wird Druckverlust in dem der Oxidatorgas-Fließdurchgang 30 verringert. Dadurch wird die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffbatterie verbessert. Ferner wird auch die Spannungsstabilität in einem normalen Temperaturbereich, in dem es leicht zu einem Zurückbleiben von Wasser, das durch eine Reaktion auf der Kathode 18 erzeugt wird, kommen kann, verbessert.
(2) Im Fall der Brennstoffbatterie der zweiten Ausführungsform ist der zweite Wasserfließdurchgang 88 zwischen dem zweiten Separator 24 und dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper 80 jeder Einheitszelle 12 bereitgestellt und bewegt sich Wasser in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 mit dem Fluss des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 in dem zweiten Wasserfließdurchgang 88 in die gleiche Richtung wie die Fließrichtung des Brennstoffgases und wird es aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 abgegeben. Auf diese Weise wird die Entwässerbarkeit des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 verbessert. Als Ergebnis wird das in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 fließende Brennstoffgas unter passender Zerstreuung stabil zu einer Elektrodenkatalysatorschicht 16a der Anode 16 geführt. Ferner wird der Druckverlust in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 verringert. Dadurch wird die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffbatterie verbessert. Ferner ist es auch möglich, das Auftreten einer Korrosion in der Elektrodenkatalysatorschicht 16a aufgrund eines Anstiegs des elektrischen Potentials, der verursacht wird, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases zu der Elektrodenkatalysatorschicht 16a der Anode 16 nicht ausreichend ist, zu verhindern.

Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 und 10 eine Brennstoffbatterie nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Es werden hauptsächlich die Unterschiede zu der Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform besprochen werden.
Die Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform ist so gestaltet, dass die Wandabschnitte 45a der länglichen Vorsprünge 45, die an dem zweiten Separator 24 bereitgestellt sind, mit der Anode 16 des MEA 20 in Kontakt stehen. Im Gegensatz dazu sind die Wandabschnitte 45a von länglichen Vorsprüngen 45 eines zweiten Separators 24 bei der Brennstoffbatterie der dritten Ausführungsform wie in 9 gezeigt von einer Anode 16 getrennt. In einem Zwischenraum zwischen den Wandabschnitten 45a und der Anode 16, d. h., in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt eines Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 ist ein dritter poröser Gasdiffusionskörper 29 angeordnet. Der dritte poröse Gasdiffusionskörper 29 unterscheidet sich von einem zweiten porösen Gasdiffusionskörper 28, der sich in einem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet, nur in der Dicke und ist so gestaltet, dass auf die gleiche Weise wie bei dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper 28 mehrere sechseckige Ringabschnitte auf eine gestaffelte Weise bereitgestellt sind. Der dritte poröse Gasdiffusionskörper 29 jeder Einheitszelle 12 wird mit der Anode 16 und dem zweiten Separator 24 dieser Einheitszelle 12 in Kontakt gehalten, um die Anode 16 und den zweiten Separator 24 elektrisch zu verbinden.
Entsprechend ist bei der Brennstoffbatterie der dritten Ausführungsform nicht nur der zweite poröse Gasdiffusionskörper 28 in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 bereitgestellt, sondern ist auch der dritte poröse Gasdiffusionskörper 29 in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 bereitgestellt. Ferner sind so wie bei der Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs 30 an einer Fläche des zweiten Separators 24, die zu einem MEA 20 gerichtet ist, mehrere zweite Vertiefungen 45b bereitgestellt.
Wie bei der Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform sind die Fließrichtung des Oxidatorgases in einem Oxidatorgas-Fließdurchgang 40 und jene des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 zueinander entgegengesetzt.
Ferner stehen Vertiefungen 46 des zweiten Separators 24 jeder Einheitszelle 12 an einem Teil, der in 10 mit dem Bezugszeichen A bezeichnet ist, auf eine überlappende Weise mit Vertiefungen 36 eines ersten Separators 22 einer Einheitszelle 12 neben dieser Einheitszelle 12 in Verbindung, wodurch ein Kühlmedium-Fließdurchgang 50 gebildet wird. Wie bei der Brennstoffbatterie 10 der ersten Ausführungsform ist die Fließrichtung eines Kühlmediums wie etwa Kühlwasser in dem Kühlmedium-Fließdurchgang 50 die gleiche wie jene des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30.
Die dritte Ausführungsform weist zusätzlich zu den Vorteilen (1) und (2) der ersten Ausführungsform den folgenden Vorteil auf.

(1) Im Fall der Brennstoffbatterie der dritten Ausführungsform ist nicht nur der zweite poröse Gasdiffusionskörper 28 in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 bereitgestellt, sondern ist auch der dritte poröse Gasdiffusionskörper 29 in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 bereitgestellt. Dadurch kann das Brennstoffgas nicht nur in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40, sondern auch in seinem stromabwärts gelegenen Abschnitt gleichmäßig zerstreut werden. Wasser, das nach seiner Erzeugung durch eine Reaktion auf der Kathode 18 durch eine Elektrolytmembran 14 gedrungen ist und in den Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 gesickert ist, wird mit Hilfe des Brennstoffgases (des Brennstoff-Abgases), das durch den dritten porösen Gasdiffusionskörper 29 und den zweiten porösen Gasdiffusionskörper 28 fließt, aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 abgegeben.

Die obigen Ausführungsformen können wie folgt abgewandelt werden.
Bei der dritten Ausführungsform kann die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang 40 so verändert werden, dass sie die gleiche wie jene des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang 30, d. h., die erste Richtung U, ist. In diesem Fall ist der zweite poröse Gasdiffusionskörper 28 in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 angeordnet und ist der dritte poröse Gasdiffusionskörper 29 in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 angeordnet. Ferner befinden sich die zweiten Vertiefungen 45b, die an dem zweiten Separator 24 bereitgestellt sind, in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40. Auch in Fall dieser Abwandlung werden Vorteile erhalten, die jenen der dritten Ausführungsform ähnlich sind.
Die obige Abwandlung kann wie folgt weiter verändert werden, so dass sie eine wie in 11 gezeigte Gestaltung aufweist. Im Besonderen wird auf die zweiten Vertiefungen 45b des zweiten Separators 24 verzichten. Ferner wird auf den dritten porösen Gasdiffusionskörper 29 verzichtet und wird statt dessen die Größe des zweiten porösen Gasdiffusionskörpers 28 so verändert, dass er sich sowohl in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt als auch in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 befindet. Auch in diesem Fall können Vorteile erhalten werden, die jenen der dritten Ausführungsform ähnlich sind.
Obwohl bei jeder der obigen Ausführungsformen Kühlwasser als Kühlmedium verwendet wird, kann auch ein anderes Kühlmedium als Kühlwasser wie etwa Öl oder Alkohol verwendet werden.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der stromabwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 durch den ersten porösen Gasdiffusionskörper 70 in den ersten Wasserfließdurchgang 78 zwischen dem ersten Separator 24 und dem ersten porösen Gasdiffusionskörper 70 und den anderen Teil unterteilt. Die Breite des ersten Wasserfließdurchgangs 78 ist nicht auf den Bereich von 5 bis 30 μm beschränkt und kann in dem Bereich von 10 mm bis 50 μm liegen. Ferner ist die Breite des anderen Teils des Oxidatorgas-Fließdurchgangs 30 nicht auf den Bereich von 100 μm bis 500 μm beschränkt, und kann sie in dem Bereich von 30 μm bis 1000 μm liegen.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der stromabwärts gelegene Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 durch den zweiten porösen Gasdiffusionskörper 80 in den zweiten Wasserfließdurchgang 88 zwischen dem zweiten Separator 24 und dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper 80 und den anderen Teil unterteilt. Die Breite des zweiten Wasserfließdurchgangs 88 ist nicht auf den Bereich von 5 μm bis 30 μm beschränkt und kann in dem Bereich von 10 μm bis 50 μm liegen. Ferner ist die Breite des anderen Teils des Brennstoffgas-Fließdurchgangs 40 nicht auf den Bereich von 100 μm bis 500 μm beschränkt, und kann sie in dem Bereich von 30 μm bis 1000 μm liegen.

Claims

Brennstoffbatterie, umfassend mehrere geschichtete Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle einen Membranelektrodenaufbau, in dem an jeder der beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrode angeordnet ist, und einen ersten Separator und einen zweiten Separator aufweist, die so angeordnet sind, dass sie den Membranelektrodenaufbau dazwischen einklemmen, wobei zwischen dem ersten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ein Oxidatorgas-Fließdurchgang gebildet ist, wobei zwischen dem zweiten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ein Brennstoffgas-Fließdurchgang gebildet ist, und wobei die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang jeder Einheitszelle zu jener des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang der gleichen Einheitszelle entgegengesetzt ist, wobei die Brennstoffbatterie dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Oxidatorgas-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs durch Bereitstellen mehrerer erster Vertiefungen an einer Fläche des ersten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt ist, und wobei in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs ein erster poröser Gasdiffusionskörper angeordnet ist, dass jeder Brennstoffgas-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs durch Bereitstellen mehrerer zweiter Vertiefungen an einer Fläche des zweiten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt ist, und wobei in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper angeordnet ist, und dass zwischen dem ersten Separator jeder Einheitszelle und dem zweiten Separator einer Einheitszelle neben dieser Einheitszelle ein Kühlmedium-Fließdurchgang gebildet ist, wobei eine Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang zwischen den nebeneinander gelegenen Einheitszellen die gleiche wie jene des Oxidatorgases in den Oxidatorgas-Fließdurchgängen dieser Einheitszellen ist, wobei jeder Kühlmedium-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, und wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs näher an einer Fläche des Membranelektrodenaufbaus, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang gerichtet ist, liegt.
Brennstoffbatterie, umfassend mehrere geschichtete Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle einen Membranelektrodenaufbau, in dem an jeder der beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrode angeordnet ist, und einen ersten Separator und einen zweiten Separator aufweist, die so angeordnet sind, dass sie den Membranelektrodenaufbau dazwischen einklemmen, wobei zwischen dem ersten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ein Oxidatorgas-Fließdurchgang gebildet ist, wobei zwischen dem zweiten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ein Brennstoffgas-Fließdurchgang gebildet ist, und wobei die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang jeder Einheitszelle zu jener des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang der gleichen Einheitszelle entgegengesetzt ist, wobei die Brennstoffbatterie dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Oxidatorgas-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs durch Bereitstellen mehrerer erster Vertiefungen an einer Fläche des ersten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt ist, und wobei in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs ein erster poröser Gasdiffusionskörper angeordnet ist, dass jeder Brennstoffgas-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffgas-Fließdurchgangs an einer Fläche des zweiten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, mehrere zweite Vertiefungen bereitgestellt sind, und wobei in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt und dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper angeordnet ist, und dass zwischen dem ersten Separator jeder Einheitszelle und dem zweiten Separator einer Einheitszelle neben dieser Einheitszelle ein Kühlmedium-Fließdurchgang gebildet ist, wobei eine Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang zwischen den nebeneinander gelegenen Einheitszellen die gleiche wie jene des Oxidatorgases in den Oxidatorgas-Fließdurchgängen dieser Einheitszellen ist, wobei jeder Kühlmedium-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs näher an einer Fläche des Membranelektrodenaufbaus, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang gerichtet ist, liegt.
Brennstoffbatterie, umfassend mehrere geschichtete Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle einen Membranelektrodenaufbau, in dem an jeder der beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrode angeordnet ist, und einen ersten Separator und einen zweiten Separator, die so angeordnet sind, dass sie den Membranelektrodenaufbau dazwischen einklemmen, aufweist, wobei zwischen dem ersten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ein Oxidatorgas-Fließdurchgang gebildet ist, wobei zwischen dem zweiten Separator und dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle ein Brennstoffgas-Fließdurchgang gebildet ist, und wobei die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang jeder Einheitszelle die gleiche wie jene des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang der gleichen Einheitszelle ist, wobei die Brennstoffbatterie dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Oxidatorgas-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Oxidatorgases in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Oxidatorgas-Fließdurchgangs durch Bereitstellen mehrerer erster Vertiefungen an einer Fläche des ersten Separators, die zu dem Membranelektrodenaufbau jeder Einheitszelle gerichtet ist, als mehrere Vertiefungs-Fließdurchgänge, die voneinander unabhängig sind, ausgeführt ist, und wobei in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt jedes Oxidatorgas-Fließdurchgangs ein erster poröser Gasdiffusionskörper angeordnet ist, dass jeder Brennstoffgas-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, und wobei in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt und dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt jedes Brennstoffgas-Fließdurchgangs ein zweiter poröser Gasdiffusionskörper angeordnet ist, und dass zwischen dem ersten Separator jeder Einheitszelle und dem zweiten Separator einer Einheitszelle neben dieser Einheitszelle ein Kühlmedium Fließdurchgang gebildet ist, wobei eine Fließrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang zwischen den nebeneinander gelegenen Einheitszellen die gleiche wie jene des Oxidatorgases in den Oxidatorgas-Fließdurchgängen dieser Einheitszellen ist, wobei jeder Kühlmedium-Fließdurchgang in Bezug auf die Fließrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedium-Fließdurchgang einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der stromaufwärts gelegene Abschnitt jedes Kühlmedium-Fließdurchgangs verglichen mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs näher an einer Fläche des Membranelektrodenaufbaus, die zu dem Oxidatorgas-Fließdurchgang neben dem Kühlmedium-Fließdurchgang gerichtet ist, liegt.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Separator jeder Einheitszelle an einem Teil, der dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlmedium-Fließdurchgangs entspricht, in einem Kontakt mit dem Membranelektrodenaufbau dieser Einheitszelle gehalten wird.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem ersten Separator und dem ersten porösen Gasdiffusionskörper jeder Einheitszelle ein erster Wasserfließdurchgang zum Abgeben von Wasser in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang aus dem Oxidatorgas-Fließdurchgang bereitgestellt ist, und wobei sich das Wasser in dem ersten Wasserfließdurchgang in die gleiche Richtung wie die Fließrichtung des Oxidatorgases bewegt und aus dem Oxidatorgas-Fließdurchgang abgegeben wird, während das Oxidatorgas in dem Oxidatorgas-Fließdurchgang fließt.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten porösen Gasdiffusionskörper ein zweiter Wasserfließdurchgang zum Abgeben von Wasser in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang bereitgestellt ist, und wobei sich das Wasser in dem zweiten Wasserfließdurchgang in die gleiche Richtung wie die Fließrichtung des Brennstoffgases bewegt und aus dem Brennstoffgas-Fließdurchgang abgegeben wird, während das Brennstoffgas in dem Brennstoffgas-Fließdurchgang fließt.