DE112012001791B4

DE112012001791B4 - Brennstoffzelle mit einem metallischen Streckgitter

Info

Publication number: DE112012001791B4
Application number: DE112012001791.9T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Maeda; Kazumi Sugita; Atsushi Ida; Shingo Morikawa; Keiji Hashimoto; Satoshi Futami
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: US20140162175A1; JP5589946B2; CN103503213B; JP2012226981A; WO2012143781A1; DE112012001791T5; CN103503213A; US9825314B2

Abstract

Brennstoffzelle, die eine Gasdiffusionsschicht (30), einen Separator (32) und einen Strömungspfad für oxidierendes Gas enthält, der zwischen der Gasdiffusionsschicht (30) und dem Separator (32) angeordnet ist und aus einem metallischen Streckgitter gebildet ist, wobei
das metallische Streckgitter ein stromauf gelegenes erstes metallisches Streckgitter (20) einschließt, das keine Öffnungen aufweist, die eine Verbindung des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht (30) strömenden oxidierenden Gases mit dem auf der Seite des Separators (32) strömenden oxidierenden Gases vermitteln, und
ein stromab gelegenes, zweites metallisches Streckgitter (22), das Öffnungen aufweist, die eine Verbindung des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht (30) strömenden oxidierenden Gases mit dem auf der Seite des Separators (32) strömenden oxidierenden Gases vermitteln,
wobei
das erste metallische Streckgitter (20) ein metallisches Streckgitter ist, bei dem benachbarte Maschen in gerader Linie angeordnet sind; und
das zweite metallische Streckgitter (22) ein metallisches Streckgitter ist, bei dem benachbarte Maschen abwechselnd angeordnet sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere die Konstruktion eines Gasströmungspfads einer Brennstoffzelle.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle ist als eine gestapelte Struktur ausgebildet, in der eine Mehrzahl von einzelnen Zellen zusammen gestapelt ist und ein plattenförmiger Separator als ein Element benutzt wird, das auf der äußersten Schicht einer jeden Zelle angeordnet ist und die Zellen im Stapel voneinander trennt. Der Separator dient zur Zuführung eines Brenngases zu einer Anodenseite und zur Zuführung eines oxidierenden Agens zu einer Kathodenseite, wie auch zur Ableitung des in der Brennstoffzelle erzeugten Wassers.
Jede Zelle einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist eine Struktur, in der eine Gasdiffusionsschicht, ein Gasströmungspfad und ein Separator jeweils beiderseits einer Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet sind. Jede Zelle, in der der Gasströmungspfad eine andere Struktur als der Separator bildet, besitzt ein metallisches Streckgitter als die den Gasströmungspfad bildende Struktur.
Das metallische Streckgitter ist eine kontinuierliche Struktur, mit gegeneinander versetzten hexagonalen Maschen. Die Gittermaschen sind so angeordnet, dass sie eine geneigte Oberfläche zwischen der Gasdiffusionsschicht und dem Separator derart bilden, dass Gasströmungspfade abwechselnd zwischen den gegeneinander versetzten Maschen und der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht und zwischen den gegeneinander versetzten Maschen und der Separatoroberfläche angeordnet sind. Beim metallischen Streckgitter werden die Maschen dadurch ausgebildet, dass unter Anwendung eines formgebenden Werkzeugs, jedes mal, wenn eine flache Blechtafel weitergeschoben wird, Schlitze in einen Streifen der Blechtafel eingebracht werden.
Die JP 2010 - 170 984 A beschreibt eine Konstruktion, bei der, um den Gasdruckverlust in einem Gasströmungspfad der Zelle zu reduzieren, ein das metallische Streckgitter verbindender Verbindungsabschnitt in einem Abschnitt ansteigt, in dem die Verbindungslänge teilweise reduziert ist, und einen Teil eines Streifenabschnitts bildet. Auch wird in einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Streckgitters an jedem geeigneten Ort oder Bereich des metallischen Streckgitters der ansteigende Abschnitt geeignet ausgebildet, indem durch eine Änderung der Logik der Vorschubsteuerung in Richtung der oberen Schneide die Anzahl der Fortsetzungen verändert wird, wenn kontinuierlich Material in Richtung auf eine obere Schneide, d. h in einer Richtung rechtwinklig zur Vorschubrichtung des Materials, zugeführt wird.
Bei einem metallisches Streckgitter, bei dem die Maschen gegeneinander versetzt sind, ist der Gasströmungspfad zwischen der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht und der Oberfläche des Separators angeordnet, weshalb ein Gasaustausch zwischen auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömendem Gas und auf der Seite des Separators strömendem Gas möglich ist.
Jedoch wurde nahe dem Einlass des oxidierenden Gases, wie Luft, auf der Kathodenseite Sauerstoff noch nicht verbraucht. Deshalb gibt es dort eine relativ große Gasmenge, weshalb die Menge des erzeugten und abgeführten Wassers groß ist, und als Ergebnis neigt der Bereich nahe dem Einlass des oxidierenden Gases dazu, trocken zu werden. Insbesondere besteht eine beachtliche Tendenz des Bereiches nahe dem Einlass des oxidierenden Gases dazu, trocken zu werden, wenn oxidierendes Gas, wie Luft, in unbefeuchtetem Zustand zugeführt wird. Deshalb nimmt bei hohen Temperaturen die Effizienz der Erzeugung elektrischer Leistung auf der Seite des Einlasses des oxidierenden Gases ab und die Erzeugung elektrischer Leistung wird sich derart auf die Gasauslassseite konzentrieren, dass die Verteilung der Erzeugung elektrischer Leistung auf der elektrische Leistung erzeugenden Oberfläche ungleichförmig wird.
Es ist möglich, die Verdampfung des erzeugten Wassers von der Gasdiffusionsschicht zu unterdrücken, indem die Kontaktgeschwindigkeit oder die Kontaktfläche zwischen dem metallischen Streckgitter und der Gasdiffusionsschicht erhöht wird. Obwohl dies die Effizienz der Erzeugung elektrischer Leistung bei hohen Temperaturen erhalten würde, könnte jedoch die Ausgangsspannung am Ende bei niedrigen Temperaturen als Ergebnis einer Zunahme der Konzentrationspolarisation aufgrund eines Sauerstoffmangels abnehmen.
Aus der US 2006 / 0 204 806 A1 sowie der JP 2008 - 243 572 A sind Brennstoffzellen entnehmbar, die ein metallisches Streckgitter aufweisen, deren Maschengröße in Strömungsrichtung des oxidierenden Gases zunimmt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzelle vorzuschlagen, die geeignet ist, sowohl eine Abnahme der Ausgangsleistung aufgrund einer Trocknung an einem Gaseinlass zu verhindern, als auch die erforderliche Ausgangsspannung sowohl bei normalen Temperaturen als auch bei hohen Temperaturen sicherzustellen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die eine Gasdiffusionsschicht, einen Separator und einen Strömungspfad für oxidierendes Gas enthält, der zwischen des Gasdiffusionsschicht und dem Separator angeordnet ist und aus einem metallischen Streckgitter gebildet ist. Das metallische Streckgitter schließt ein stromauf gelegenes erstes metallisches Streckgitter ein, das keine Öffnungen aufweist, die eine Verbindung des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömenden oxidierenden Gases mit dem auf der Seite des Separators strömenden oxidierenden Gas vermitteln, und ein stromab gelegenes, zweites metallisches Streckgitter, das Öffnungen aufweist, die eine Verbindung des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömenden oxidierenden Gases mit dem auf der Seite des Separators strömenden oxidierenden Gas vermitteln. Das erste metallische Streckgitter ist hierbei ein metallisches Streckgitter, bei dem benachbarte Maschen in gerader Linie angeordnet sind, während das zweite metallische Streckgitter ein metallisches Streckgitter ist, bei dem benachbarte Maschen abwechselnd angeordnet sind.
Beim ersten Aspekt kann ein Verhältnis des ersten metallischen Streckgitters zum Strömungspfad des oxidierenden Gases nicht weniger als 1/3 und nicht mehr als 1/2 sein.
Beim ersten Aspekt kann das Verhältnis des ersten metallischen Streckgitters zum Strömungspfad des oxidierenden Gases im Wesentlichen 0,3 sein.
Beim ersten Aspekt kann die Brennstoffzelle weiter einen Kathodenverteiler umfassen, der oxidierendes Gas dem Strömungspfad des oxidierenden Gases zuführt, und ein Gasdiffusionselement, das zwischen dem Kathodenverteiler und dem ersten metallischen Streckgitter angeordnet ist, das das oxidierende Gas vom Kathodenverteiler ausbreitet und das das ausgebreitete oxidierende Gas veranlasst, in das erste metallische Streckgitter einzuströmen.
Beim ersten Aspekt kann das Gasdiffusionselement von dem zweiten metallischen Streckgitter, einem Sinterkörper nach Art einer Löcherkoralle, einer Diffusionsschicht oder auf der Seite des Separators ausgebildeten Grübchen gebildet sein.
Beim ersten Aspekt kann das Gasdiffusionselement durch Anordnung eines zusätzlichen zweiten metallischen Streckgitters auf einer keine elektrische Leistung erzeugenden Oberfläche zwischen dem ersten metallischen Streckgitters und dem Kathodenverteiler ausgebildet sein.
Die Erfindung ermöglicht es, eine Abnahme der Ausgangsleistung aufgrund einer Austrocknung am Gaseinlass zu unterdrücken und die nötige Ausgangsspannung sowohl bei normalen Temperaturen, wie auch bei hohen Temperaturen sicherzustellen.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und technische sowie gewerbliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1A bis 1C Draufsichten sind, auf eine Zelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A und 2B Bereichsansichten eines zweiten metallischen Streckgitters sind;
3A und 3B Bereichsansichten eines ersten metallischen Streckgitters sind;
4 eine Ansicht ist, die die Gasströmung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
5 eine Draufsicht auf eine typische Zelle ist;
6 eine Ansicht ist, welche die Gasströmung in einer typischen Zelle zeigt;
7 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einer Ausgangsspannungscharakteristik und dem Prozentsatz eines ersten metallischen Streckgitters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
8 ein Blockdiagramm ist, eines metallischen Streckgitters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine Ansicht ist, die einen Bereich zeigt, in welchem es eine Abnahme des Wirkungsgrads der Erzeugung elektrischer Leistung des ersten metallischen Streckgitters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gibt;
10 eine Draufsicht ist auf eine Zelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 eine Ansicht ist, die den Verschiebebetrag einer vierten Ausführungsform zeigt;
12 ein Blockdiagramm ist des vierten metallischen Streckgitters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Charakteristik der Ausgangsspannung und einer Änderung des Verschiebebetrags zeigt; und
14 ein Blockdiagramm ist einer Fertigungsvorrichtung gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Jedoch sind die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele lediglich Beispiele. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle der Ausführungsbeispiele ist eine gestapelte Konstruktion, bei der eine Mehrzahl von Einzelzellen in ähnlicher Weise wie bei einer typischen Brennstoffzelle gestapelt ist. Jede Zelle besitzt eine Gasdiffusionsschicht, einen Gasströmungspfad und einen Separator, die jeweils auf beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet sind und wobei der Gasströmungspfad auf der Kathodenseite von einem aus einem metallischen Streckgitter gefertigten Körper nach Art einer Löcherkoralle (engl.: madreporic) gebildet ist.
Ein typisches metallisches Streckgitter wird in eine Gitter- oder Netzstruktur geformt, indem eine flache Tafel mit oberen und unteren Schneiden eingeschnitten wird, während die Tafel einer Vorschubbewegung unterworfen wird. Benachbarte Maschen sind abwechselnd in der Vorschubrichtung der flachen Tafel derart angeordnet, dass Öffnungen vorhanden sind, die auf der Seite der Diffusionsschicht strömendes Gas mit Gas in Verbindung bringen, das auf der Seite des Separators strömt. Deshalb befindet sich in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich eine relativ große Gasmenge, so dass eine große Menge des durch eine Leistungserzeugungsreaktion produzierten Wassers abgeleitet wird. Als Ergebnis neigt der in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegene Bereich dazu, dass die Menge des abgeführten, erzeugten Wassers groß wird, was dazu führt, dass das Gas auf der stromauf gelegenen Seite trocken wird.
Auf diese Weise ist der Gasdurchfluss im stromaufgelegenen Bereich des Gases relativ groß, so dass die Menge des erzeugten Wassers, das abgeleitet wird, groß wird, was dazu führt, dass der stromaufgelegene Bereich trocken wird. Ein Weg dies zu verhindern oder zu beseitigen besteht darin, den Durchfluss im stromaufgelegenen Bereich zu reduzieren.
Jedoch führt eine einfache Reduzierung des Gasdurchflusses zu einem Abfall der Ausgangsspannung wegen Sauerstoffmangels, insbesondere in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich und bei normalen Temperaturen.
Deshalb wird bei diesen Ausführungsbeispielen der Öffnungsquerschnitt des metallischen Streckgitters derart verändert, dass er in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich von dem Öffnungsquerschnitt in dem in Bezug auf die Gasströmung stromabwärts gelegenen Bereich verschieden ist, wobei der Öffnungsquerschnitt in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich relativ klein ist und der Öffnungsquerschnitt in dem in Bezug auf die Gasströmung stromabwärts gelegenen Bereich relativ groß. Indem man den Öffnungsquerschnitt in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich relativ klein auslegt, ist das Gas, das auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömt, von dem Gas getrennt, das auf der Seite des Separators strömt, derart, dass das Gas, das auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömt, im Wesentlichen abnimmt und als Ergebnis in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich erzeugtes Wasser daran gehindert werden kann, abgeleitet zu werden. Das heißt, der Gesamtdurchfluss von dem Gaspfad zugeführtem Gas ändert sich nicht, aber in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich wird der Durchfluss des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömenden Gases reduziert, so dass weniger erzeugtes Wasser abgeführt wird. Deshalb kann das Austrocknen des Gases in dem in Bezug auf die Gasströmung stromaufwärts gelegenen Bereich gehemmt oder verhindert werden und insbesondere kann die Verteilung der Erzeugung der elektrischen Leistung ausgeglichen werden. Außerdem kann durch das Ausbilden des relativ großen Öffnungsquerschnitts in dem in Bezug auf die Gasströmung stromabwärts gelegenen Bereich, das auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömende Gas mit dem auf der Seite des Separators strömende Gas verbunden werden, wodurch ein Spannungsabfall aufgrund eines Sauerstoffmangels verhindert werden kann.
Der Öffnungsquerschnitt des metallischen Streckgitters, das bei diesen Ausführungsbeispielen den Gasströmungspfad bildet, unterscheidet sich, wie oben beschrieben, in dem in Bezug auf die Gasströmung stromauf gelegenen Bereich von jenem in dem stromab gelegenen Bereich. Der Öffnungsquerschnitt kann sich vom stromauf gelegenen Bereich bis zum stromab gelegenen Bereich kontinuierlich verändern oder in einer nicht kontinuierlichen, abgestuften Weise.
Wenn sich der Öffnungsquerschnitt in einer nicht kontinuierlichen, abgestuften Weise ändert, kann sich die Änderung des Öffnungsquerschnitts im Interesse einer Vereinfachung der Zellenkonstruktion und der Erleichterung der Herstellung in annähernd zwei oder drei Schritten vollziehen. Wenn beispielsweise die Änderung des Öffnungsquerschnitts in zwei Schritten erfolgt, kann der Öffnungsquerschnitt des metallischen Streckgitters im stromauf gelegenen Bereich des Gasstroms auf den konstanten Wert S1 eingestellt sein und der Öffnungsquerschnitt des metallischen Streckgitters im stromab gelegenen Bereich des Gasstroms auf den konstanten Wert S2, wobei S1 kleiner ist als S2 (d. h. S1<S2).
Ein Beispiel für den Öffnungsquerschnitt S1 ist Null, d. h. S1 = 0. Das bedeutet, dass das Gas, das auf der Seite der Gasdiffusionsschicht strömt, vollständig von dem Gas getrennt ist, das auf der Seite des Separators strömt.
Bei diesen Ausführungsbeispielen ist es das Grundprinzip, die Menge des erzeugten Wassers, das abgeleitet wird, durch Reduzierung des Gasdurchflusses im stromauf gelegenen Bereich im Verhältnis zum Gasdurchfluss im stromab gelegenen Bereich zu reduzieren. Deshalb kann der Öffnungsquerschnitt im stromauf gelegenen Bereich des Gasstroms in geeigneter Weise im Rahmen dieses Grundprinzips eingestellt werden.
<Erstes Ausführungsbeispiel>
Die 1A ist eine Draufsicht auf eine Zelle 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Ein Anodenverteiler 12 ist am rechten und am linken Endabschnitt eines Separators ausgebildet, der einen Teil der Zelle 10 bildet, und Wasserstoffgas wird ihm als Brenngas zugeführt. Außerdem ist am oberen und am unteren Endabschnitt des Separators ein Kathodenverteiler ausgebildet, der einen Teil der Zelle 10 bildet. In der Zeichnung ist der Kathodenverteiler als ein Kathodenverteilereinlass 14 und ein Kathodenverteilerauslass 16 gezeigt. Luft als das oxidierende Gas wird vom Kathodenverteilereinlass 14 am unteren Abschnitt der Zeichnung zugeführt und vom Kathodenverteilerauslass 16 am oberen Abschnitt in der Zeichnung abgeleitet. Das heißt, Wasserstoffgas als das Brenngas strömt in der Zeichnung in der Querrichtung und Luft als das oxidierende Gas strömt in der vertikalen Richtung, die rechtwinklig zur Strömung des Wasserstoffgases verläuft. Zudem ist ein Kühlmittelverteiler 18 am linken und am rechten Endabschnitt des Separators ausgebildet, dem Kühlmittel zugeleitet wird.
Indes ist ein metallisches Streckgitter, das den Gasströmungspfad auf der Kathodenseite bildet, nicht eine einzelne Struktur, sondern wird durch zwei Abschnitte gebildet, d. h. ein erstes metallisches Streckgitter 20, das auf der Seite des Kathodenverteilereinlasses 14 ausgebildet ist, und ein anderes, zweites, metallisches Streckgitter 22. Das erste metallische Streckgitter 20 und das zweite metallische Streckgitter 22 werden jeweils von hexagonalen Gittern gebildet, wobei ein Gitter eine gegenüber dem anderen Gitter unterschiedliche Anordnung aufweist.
Die 1 B ist eine Ansicht der Struktur des zweiten, metallischen Streckgitters 22. Das zweite metallische Streckgitter 22 bildet eine kontinuierliche Struktur, in der das hexagonale Gitter ähnlich einer typischen Brennstoffzelle abwechselnd angeordnet ist.
Die 1C ist eine Ansicht der Struktur des ersten, metallischen Streckgitters 20. Im Gegensatz zum zweiten, metallischen Streckgitters 22. Ist das erste metallische Streckgitter 20 so gestaltet, dass die Maschen fluchtend angeordnet sind.
Die 2A ist eine vergrößerte Teilansicht des zweiten metallischen Streckgitters 22. Auch die 2B ist ein Querschnitt, der einen Zustand zeigt, in dem das zweite metallische Streckgitter 22 zwischen einer Gasdiffusionsschicht 30 und einem Separator 32 angeordnet ist. In 2B strömt Luft als oxidierendes Gas in einer zur Oberfläche des Papiers, auf das die 2B gezeichnet ist, rechtwinkligen Richtung. Beim zweiten metallischen Streckgitter 22 sind die Maschen abwechselnd so angeordnet, dass an den schattierten Abschnitten 23 in 2B Gas übertragen wird. Das heißt, Gas auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 30 strömt über den schattierten Abschnitt 23 zur Seite des Separators 32 und Gas auf der Seite des Separators 32 strömt durch den schattierten Abschnitt 23 zur Seite der Gasdiffusionsschicht 30. Der schattierte Abschnitt 23 entspricht der Öffnung in diesem Ausführungsbeispiel.
Auch die 3A ist eine vergrößerte Teilansicht des ersten metallischen Streckgitters 20 und die 3B ist ein Querschnitt, der einen Zustand zeigt, in dem das erste metallische Streckgitter 20 zwischen einer Gasdiffusionsschicht 30 und einem Separator 32 angeordnet ist. In 3B strömt Luft als oxidierendes Gas in einer zur Oberfläche des Papiers, auf das die 3B gezeichnet ist, rechtwinkligen Richtung. Beim ersten metallischen Streckgitter 20 sind die Maschen in gerader Linie angeordnet, so dass die Gaspfade getrennt sind. Das heißt, Gas auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 30 setzt die Strömung auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 30 fort und, Gas auf der Seite des Separators 32 setzt die Strömung auf der Seite der Separators 32 fort, ohne dass eine Verbindung der Gase wie beim schraffierten Abschnitt 23 des zweiten metallisches Streckgitters 22 auftritt.
Deshalb würden, wenn das erste metallische Streckgitter 20 auf der Seite des Kathodenverteilereinlasses 14 angeordnet ist und das zweite metallische Streckgitter 22 an einer anderen Position als dieser angeordnet ist, Gase in einem getrennten Zustand auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 30 und der Seite des Separators 32 in dem Bereich strömen, in dem das erste metallische Streckgitter 20 angeordnet ist, und abwechselnd auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 30 und der Seite des Separators 32 in dem Bereich strömen, in dem in dem das zweite metallische Streckgitter 22 angeordnet ist.
Auf der Seite des Kathodenverteilereinlasses 14 strömt Gas durch das erste metallische Streckgitter 20 getrennt zur Seite der Gasdiffusionsschicht 30 und zur Seite des Separators 32, so dass auf der Seite des Gaseinlasses auf der Kathodenseite der Durchfluss des zur Seite der Gasdiffusionsschicht 30 strömenden Gases im Wesentlichen um die Hälfte abnimmt. Deshalb kann die Menge des erzeugten Wassers, das abgeleitet wird, weil der Gasdurchfluss auf der Seite des Gaseinlasses auf der Kathodenseite relativ groß ist, reduziert werden. Andererseits kann das Gas auf der Seite des Gasauslasses auf der Kathodenseite das Gas auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 30 mit dem Gas auf der Seite des Separators 32 durch das zweite metallische Streckgitter 22 in Verbindung gebracht werden, so dass ein Abfall der Ausgangsspannung aufgrund einer Konzentrationspolarisation verhindert werden kann.
Zum Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel ist die 5 eine Ansicht einer typischen Zellenkonstruktion. Ähnlich dem Ausführungsbeispiel besitzt die Zelle 10 einen Anodenverteiler 12 und einen Kühlmittelverteiler 18, und ein Kathodenverteilerauslass 16 ist am oberen Ende, sowie ein Kathodenverteilereinlass 14 am unteren Ende ausgebildet. Indessen ist bei der typischen Zellenkonstruktion der Gasströmungspfad von nur einem metallischen Streckgitter, d. h. durch nur das zweite metallische Streckgitter 22 des Ausführungsbeispiels gebildet.
Deshalb strömt, wie in 6 gezeigt, das vom Kathodenverteilereinlass 14 eingeströmte Gas alternierend, und das Gas auf der Gasdiffusionsseite sowie das Gas auf der Separatorseite stehen miteinander derart in Verbindung, dass ein Gasaustausch stattfindet. Am Gaseinlass auf der Kathodenseite ist der Gasdurchfluss relativ groß, so dass die Menge des abgeleiteten, erzeugten Wassers groß ist, und als Ergebnis neigt der Gaseinlass auf der Kathodenseite dazu, trocken zu werden. Insbesondere wird diese Tendenz beachtlich, wenn Gas mit hoher Temperatur oder ohne Befeuchtung zugeführt wird. Der Unterschied zwischen dem Gasdurchfluss bei diesem Ausführungsbeispiel und der typischen Technologie wird durch den Vergleich der 4 und 6 offensichtlich.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, wie in den 1 A bis 1C gezeigt, der Gasströmungspfad durch das erste metallische Streckgitter 20 und das zweite metallische Streckgitter 22 gebildet. Der Prozentsatz des Bereichs, der vom metallischen Streckgitter 20 in Anspruch genommen wird oder die Länge des Bereichs in der Richtung längs des Gasströmungspfades, können anhand der Charakteristik der Ausgangsspannung so eingestellt werden, dass sie sich im optimalen Bereich befinden.
Das heißt, falls der Bereich des ersten metallischen Streckgitters 20 zu klein ist, besteht kein großer Unterschied gegenüber einer typischen Zellenkonstruktion, bei der der Gasströmungspfad von nur dem zweiten Streckgitter 22 gebildet wird, so dass keine große Wirkung bei der Verhinderung einer Austrocknung am Kathodengaseinlass erwartet werden kann. Das heißt, eine Abnahme der Ausgangsspannung bei hohen Temperaturen kann nicht verhindert werden. Andererseits, wird, falls der Bereich des ersten metallischen Streckgitters 20 zu groß ist, der Prozentsatz der Gasaustausches zwischen dem Gas auf der Seite der Gasdiffusionsschicht und dem Gas auf der Seite des Separators klein, so dass der Gasdurchfluss klein wird, und als Ergebnis kann aufgrund des Konzentrationspotentials bei normalen Temperaturen die Ausgangsleistung abnehmen.
Auf diese Weise besteht im Allgemeinen ein Ausgleich zwischen der Charakteristik der Ausgangsspannung bei hohen Temperaturen und der Charakteristik der Ausgangsspannung bei niedrigen Temperaturen. Deshalb ist der Prozentsatz des Bereichs des ersten metallischen Streckgitters 20 oder die Länge in Richtung des Gasströmungspfads eingestellt, wobei die Ausgangsspannung bei hohen Temperaturen und die Ausgangsspannung bei niedrigen Temperaturen innerhalb eines Bereichs berücksichtigt ist, der einen Ausgleich zwischen beiden ermöglicht.
Die 7 ist eine Ansicht, die die Charakteristika der Ausgangsspannung bei hohen Temperaturen und bei normalen Temperaturen zeigt, wenn die Länge in der Richtung des Gasströmungspfads des Bereichs des ersten metallischen Streckgitters 20 (dieser Bereich wird als der „gerade Bereich“ bezeichnet, weil in der Zeichnung die Maschen in gerader Linie angeordnet sind), geändert wird. In der Zeichnung stellt die horizontale Achse das Verhältnis der Länge des Bereichs des ersten metallischen Streckgitters 20 dar, wenn die gesamte Länge des Gasströmungspfads mit 1 benannt wird. Auch stellt die vertikale Achse die Ausgangsspannung (V) dar. Des Weiteren zeigt in der Zeichnung die ausgezogene Linie das Ergebnis bei normaler Temperatur an und die unterbrochene Linie das Ergebnis bei hoher Temperatur.
Betrachtet man das Ergebnis bei hoher Temperatur, nimmt die Ausgangsspannung zu, wenn das Verhältnis ansteigt. Die Ausgangsspannung erreicht ihren Höhepunkt, wenn das Verhältnis nahe bei 0,5 liegt, wonach, falls das Verhältnis ansteigt, die Ausgangsspannung dagegen dazu neigt, abzunehmen. Betrachtet man andererseits das Ergebnis bei normaler Temperatur, bleibt die Ausgangsspannung nahezu konstant oder steigt leicht an, wenn das Verhältnis zunimmt. Die Ausgangsspannung ist am größten, wenn das Verhältnis nahe bei 0,3 liegt, wonach, falls das Verhältnis zunimmt, die Ausgangsspannung dagegen dazu neigt, abzunehmen. Die Abnahme der Ausgangsspannung nach dem Überschreiten des Verhältnisses 0,5 ist bei normalen Temperaturen auffälliger als bei hohen Temperaturen. Als Grund dafür wird Konzentrationspolarisation angenommen.
Aus 7 ist ersichtlich, dass in einem Bereich, in dem das Verhältnis geringer ist als 1/3, das Hochtemperaturergebnis zunimmt, aber nicht wirklich ausreichend, und es ist auch schwierig, einen ausreichenden Wert für die Ausgangsspannung zu erhalten. Auch ist in einem Bereich, in dem das Verhältnis größer als 1/2 ist, die Ausgangsspannung bei hohen Temperaturen ausreichend, doch die Ausgangsspannung bei normalen Temperaturen nimmt am Ende markant ab.
Deshalb ist im Hinblick auf den gesamten Strömungspfad das Verhältnis im Bereich des ersten metallischen Streckgitters 20 im Bereich zwischen einschließlich 1/3 und 1/2 eingestellt, was sowohl bei normalen Temperaturen als auch hohen Temperaturen eine ausreichende Ausgangsspannung ermöglicht.
<Zweites Ausführungsbeispiel>
Beim ersten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das erste metallische Streckgitter 20 Einlass 14 des Kathodenverteilers angeordnet, aber es kann auch ein drittes metallisches Streckgitter anstelle des ersten metallischen Streckgitters 20 angeordnet werden.
Die 8 ist eine Ansicht eines dritten metallischen Streckgitters 24, das anstelle des ersten metallischen Streckgitters 20 benutzt wird. Bei diesem dritten metallischen Streckgitter 24 sind die Maschen nicht in einer geraden Linie angeordnet, wie beim ersten metallischen Streckgitter 20. Stattdessen sind zwei benachbarte Maschenstränge (zwei benachbarte Maschen) in der Vorschubrichtung als ein Paar in einer geraden Linie angeordnet und Paare von Strängen sind abwechselnd angeordnet. Beim metallischen Streckgitter wird, wie oben beschrieben, eine Masche gebildet, indem in einem flachen Blech unter Anwendung eines Formelements jeweils gleichzeitig pro Strang Schlitze angebracht werden, während das Blech vorwärts bewegt wird. Jedoch wird das dritte metallische Streckgitters 24 durch Wiederholung eines Verfahrens gebildet, das die Fixierung der Position einer oberen Schneide umfasst, die Anbringung aufeinanderfolgender Schlitze für zwei Stränge, hin und her Bewegen der oberen Schneide in einer Richtung rechtwinklig zur Vorschubrichtung und erneutes Anbringen aufeinanderfolgender Schlitze für zwei Stränge.
Auf diese Weise ist das dritte metallische Streckgitter 24 so beschaffen, dass die Schlitze für zwei benachbarte Stränge (zwei benachbarte Maschen) in einer geraden Linie angeordnet sind, so dass in diesem Abschnitt das Gas auf der Seite des Gasdiffusionsschicht von dem Gas auf der Seite des Separators getrennt ist und somit kein Gasaustausch auftreten wird. Als Ergebnis nimmt der Gasdurchfluss wesentlich ab, so dass es ermöglicht wird, die Gaseintrittsseite bei hohen Temperaturen daran zu hindern, in ähnlicher Weiser wie das erste metallische Streckgitter 20 auszutrocknen. Auch wenn man das Kontaktausmaß oder die Kontaktfläche mit der Gasdiffusionsschicht betrachtet, nimmt das Kontaktausmaß oder die Kontaktfläche mit dem dritten metallischen Streckgitter 24 im Vergleich mit dem zweiten metallischen Streckgitter 22 zu, so dass eine Verdampfung des erzeugten Wassers von der Gasdiffusionsschicht auch verhindert werden kann.
Das dritte metallische Streckgitter 24 ist eine Konstruktion, bei der Schlitze für zwei Stränge in einer geraden Linie angeordnet sind, so dass die Vorschubgeschwindigkeit auf das Doppelte einer typischen Konstruktion angehoben werden kann.
<Drittes Ausführungsbeispiel>
Beim ersten Ausführungsbeispiel ist das erste metallische Streckgitter 20 nahe dem Kathodenverteilereinlass 14 angeordnet, jedoch im Bereich des ersten metallischen Streckgitters 20 strömt das Gas linear, so dass es einen Bereich gibt, in dem Gas nicht leicht strömt, abhängig von der Position, in der der Kathodenverteilereinlass 14 ausgebildet ist.
Beispielsweise wenn, wie in 9 gezeigt, beim ersten Ausführungsbeispiel, eine Mehrzahl von Kathodenverteilereinlässen 14 am unteren Ende des Separators ausgebildet ist und der Zwischenraum zwischen den Kathodenverteilereinlässen 14 im Mittelabschnitt relativ größer ist als er in anderen Abschnitten ist, strömt Gas nicht so leicht im Mittelabschnitt, d. h. im Bereich 40 in der Zeichnung, wo sich kein Kathodenverteilereinlass 14 befindet, weil Gas, das in die Kathodenverteilereinlässe 14 eingeströmt ist, linear durch das erste metallische Streckgitter 20 strömt, und somit kann die Arbeitsleistung bzw. der Wirkungsgrad der Erzeugung elektrischer Leistung in diesem Abschnitt niedrig sein.
Deshalb kann, wie in 10 gezeigt, ein Diffusionselement zum Ausbreiten von Gas, das durch die Kathodenverteilereinlässe 14 eingeströmt ist, zwischen dem ersten metallischen Streckgitter 20 und den Kathodenverteilereinlässen 14 angeordnet werden. Insbesondere kann das zweite metallische Streckgitter 22 zwischen dem ersten metallischen Streckgitter 20 und den Kathodenverteilereinlässen 14 angeordnet werden. Am zweiten metallischen Streckgitter 22 strömen die Gase abwechselnd, so dass Gas, das durch den Kathodenverteilereinlass 14 eingeströmt ist, auch in den Bereich 40 strömen wird. Das zweite metallische Streckgitter 22, das zwischen dem ersten metallischen Streckgitter 20 und den Kathodenverteilereinlässen 14 angeordnet ist, kann auf einer keine elektrische Leistung erzeugenden Oberfläche, d. h. ein Bereich, in dem sich keine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) befindet, angeordnet sein.
Das zwischen dem ersten metallischen Streckgitter 20 und den Kathodenverteilereinlässen 14 angeordnete Diffusionselement kann etwas anderes sein als das zweite metallische Streckgitter 22. Beispielsweise kann ein Sinterkörper nach Art einer Löcherkoralle (madreporic) gebildet werden, oder es kann eine Diffusionsschicht angeordnet werden, oder auf der Seite des Separators können Grübchen ausgebildet werden.
<Viertes Ausführungsbeispiel - nicht Gegenstand der Erfindung>
Beispielsweise beschreiben die vorstehenden drei Ausführungsbeispiele das erste metallische Streckgitter 20, bei dem ein Maschengitter, wie das in 1 gezeigte, in einer geraden Linie angeordnet ist, und das dritte metallische Streckgitter 24, in dem zwei Maschenstränge als Paar in einer geraden Linie angeordnet sind, wie in 8 gezeigt. Jedoch kann, wenn der Verschiebung in der Position der Maschenbildung, wie in 11 gezeigt, ein Schwenkbetrag bzw. Verschiebebetrag Yw zugewiesen ist, das metallische Streckgitter, in welchem dieser Verschiebebetrag Yw auf verschiedene Weise verändert wurde, nahe dem Kathodenverteilereinlass 14 angeordnet werden. In diesem Falle ist das erste metallische Streckgitter 20 einem Falle äquivalent, in dem der Verschiebebetrag Yw Null ist, und das zweite metallische Streckgitter 22 ist zu einem Fall äquivalent, in dem der Verschiebebetrag das Maximum oder ein diesem naher Wert ist. Wenn beispielsweise eine Wellenlänge des Streckgitters 0,8 mm ist, ist der Maximalwert des Verschiebebetrags 0,4 mm, und in diesem Falle ist die Maschenweite, d. h. die Öffnung, im am weitesten verschobenen Zustand. Beim zweiten metallischen Streckgitter 22 kann der Verschiebebetrag nicht nur das Maximum 0,4 mm sein, sondern auch 0,2 mm, was kleiner als dieses ist. Auch kann anstelle des ersten metallischen Streckgitters 20 der Verschiebebetrag Yw ein Wert nahe 0 sein, wie 0,05 mm oder 0,1 mm. Die 12 ist eine Ansicht der Struktur eines vierten metallischen Streckgitters, wenn der Verschiebebetrag Yw 0,1 mm ist, der zwischen dem Verschiebebetrag (0 mm) des ersten metallischen Streckgitters 20 und dem Verschiebebetrag (0,2 mm) des zweiten metallischen Streckgitters 22 liegt. Dieses vierte metallische Streckgitter zeigt Eigenschaften zwischen jenen des ersten metallischen Streckgitters 20 und des zweiten metallischen Streckgitters 22.
Die 13 ist eine Ansicht der Charakteristik der Ausgangsspannungen wenn das erste metallische Streckgitter 20 (in der Zeichnung durch 1ST gekennzeichnet) benutzt wird, wenn das vierte, in 12 gezeigte metallische Streckgitter (in der Zeichnung durch 4TH gekennzeichnet) anstelle des ersten metallischen Streckgitters 20 benutzt wird, und wenn das zweite metallische Streckgitter 22 (in der Zeichnung durch 2ND gekennzeichnet) benutzt wird. Das vierte metallische Streckgitter zeigt eine normale Temperaturcharakteristik und eine hohe Temperaturcharakteristik und besitzt Eigenschaften im Wesentlichen zwischen jenen des ersten metallischen Streckgitters 20 und des zweiten metallischen Streckgitters 22. Deshalb kann das vierte metallische Streckgitter anstelle des ersten metallischen Streckgitters 20 benutzt werden, wenn eine Ausgangsspannung annähernd jener des ersten metallischen Streckgitters 20 nicht gefordert ist, mit der hohen Temperaturcharakteristik.
Beim ersten bis vierten Ausführungsbeispiel kann im stromauf gelegenen Bereich des Gases auf der Kathodenseite ein unterschiedliches metallische Streckgitter benutzt werden als jenes, das im stromab gelegenen Bereich des Gases auf der Kathodenseite benutzt wird. Im stromauf gelegenen Bereich des Gases kann ein metallisches Streckgitter benutzt werden, bei dem der Verschiebebetrag der Maschen relativ klein ist im Vergleich mit jenem im stromab gelegenen Bereich. Der Verschiebebetrag der Maschen ist proportional zur Abmessung der Öffnung, die die Verbindung mit der die Gasdiffusionsschicht aufweisenden Seite mit der Seite des Separators herstellt. Deshalb kann im stromauf gelegenen Bereich des Gases die Gasöffnung relativ kleiner bemessen werden als auf der stromab gelegenen Seite. Jedoch ist beim Herstellungsverfahren für das metallische Streckgitter die allmähliche Veränderung des Verschiebebetrags der Masche relativ mühsam, und eine hohe Ausgangsspannung kann erhalten werden, so ist eine Kombination eines Null-Verschiebebetrags, d. h. des ersten metallischen Streckgitters 20, und eines Verschiebebetrags eines vorgegebenen Wertes, d. h. das zweite metallische Streckgitter 22 möglich.
<nicht beanspruchtes Verfahren zur Herstellung des metallischen Streckgitters gemäß des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels>
Die 14 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Vorrichtung zur Herstellung des ersten metallischen Streckgitters 20 und des zweiten metallischen Streckgitters 22 gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel. Die Herstellungsvorrichtung schließt eine Form ein, die eine Matrize 200, eine obere Schneide 202 und eine untere Schneide 204, sowie eine Walze umfasst, die ein flaches Blech 150 einem Vorschub in Richtung FD unterwirft. Die obere Schneide 202 ist geeignet, in einer Richtung TD hin und her bewegt zu werden, die rechtwinklig zur Richtung FD verläuft, und sich in einer vertikalen Richtung WD zu heben und zu senken. Trapezartig geformte Vorsprünge 206 sind mit regelmäßigen Zwischenräumen in der TD Richtung an einer unteren Oberfläche der oberen Schneide 202 angebracht.
Das Blech 150 wird durch die Walze mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in die Form eingeführt (d. h. einem Vorschub unterworfen), in Teilen von den trapezartig geformte Vorsprünge 206 und der Matrize 200 einer Scherwirkung unterzogen und sandwichartig von der oberen Schneide 202 und der unteren Schneide 204 derart eingeschlossen, dass trapezförmige Streifen ausgeformt werden. Zu diesem Zeitpunkt werden lattenförmig zugeschnittene Metallstreifen 160, die das erste metallische Streckgitter 20 bilden werden, durch Einstellung der Verschiebebreite in der TD Richtung auf Null, geformt und die lattenförmigen Metallstreifen 160, die das zweite metallische Streckgitter 22 bilden werden, werden durch hin und her verschieben der oberen Schneide 202 um einen vorgegebenen Betrag in der TD Richtung ausgebildet jedes Mal wenn die obere Schneide 202 angehoben wird. Die lattenförmig zugeschnittenen Metallstreifen 160, die das in 8 gezeigte metallische Streckgitter 24 bilden werden, werden dadurch geformt, dass die obere Schneide 202 um einen vorgegebenen Betrag in der TD Richtung hin und her verschoben wird, und zwar nicht jedes Mal beim Anheben der oberen Schneide 202, sondern vielmehr in einem Verhältnis von einmal bei jeder zweiten Aufwärtsbewegung der oberen Schneide 202. Auf diese Weise werden das erste metallische Streckgitter 20 und das zweite metallische Streckgitter 22 dadurch hergestellt, indem zunächst der lattenförmig geschnittene Metallstreifen 160, der ein Gitter in abgestufter Gestalt aufweist, ausgebildet wird und dann durch eine Druckrolle gewalzt wird. Das erste metallische Streckgitter 20 und das zweite metallische Streckgitter 22 können kontinuierlich durch schrittweise Änderung des Verschiebebetrags hergestellt werden. Dementsprechend ist eine Brennstoffzelle effizient herstellbar, welche die in 1 gezeigte Zelle enthält.
Beim ersten metallischen Streckgitter 20 ist der Verschiebebetrag Null, aber es muss nicht immer im strengen Sinne Null sein. Das heißt, in einem Falle, in dem der Verschiebebetrag im Wesentlichen Null ist, das heißt, ein Fall, in dem es einen sehr kleinen Verschiebebetrag gibt, der innerhalb des Toleranzbereichs liegt, ist das auch im Bereich des ersten metallischen Streckgitters 20 eingeschlossen.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Gasströmungspfad auf der Seite der Kathode durch ein metallisches Streckgitter gebildet, aber der Gasströmungspfad auf der Anodenseite kann entweder als Nut oder als metallisches Streckgitter ausgebildet sein. Das heißt, die Erfindung kann bei einer geeigneten Brennstoffzelle angewandt werden, bei der wenigstens der Gasströmungspfad auf der Kathodenseite durch ein metallisches Streckgitter gebildet wird.

Claims

Brennstoffzelle, die eine Gasdiffusionsschicht (30), einen Separator (32) und einen Strömungspfad für oxidierendes Gas enthält, der zwischen der Gasdiffusionsschicht (30) und dem Separator (32) angeordnet ist und aus einem metallischen Streckgitter gebildet ist, wobei das metallische Streckgitter ein stromauf gelegenes erstes metallisches Streckgitter (20) einschließt, das keine Öffnungen aufweist, die eine Verbindung des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht (30) strömenden oxidierenden Gases mit dem auf der Seite des Separators (32) strömenden oxidierenden Gases vermitteln, und ein stromab gelegenes, zweites metallisches Streckgitter (22), das Öffnungen aufweist, die eine Verbindung des auf der Seite der Gasdiffusionsschicht (30) strömenden oxidierenden Gases mit dem auf der Seite des Separators (32) strömenden oxidierenden Gases vermitteln, wobei das erste metallische Streckgitter (20) ein metallisches Streckgitter ist, bei dem benachbarte Maschen in gerader Linie angeordnet sind; und das zweite metallische Streckgitter (22) ein metallisches Streckgitter ist, bei dem benachbarte Maschen abwechselnd angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Kathodenverteiler, der oxidierendes Gas dem Strömungspfad des oxidierenden Gases zuführt, und ein Gasdiffusionselement, das zwischen dem Kathodenverteiler und dem ersten metallischen Streckgitter (20) angeordnet ist, das das oxidierende Gas vom Kathodenverteiler ausbreitet und das das ausgebreitete oxidierende Gas veranlasst, in das erste metallische Streckgitter (20) einzuströmen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das Gasdiffusionselement von dem zweiten metallischen Streckgitter (22), einem Sinterkörper nach Art einer Löcherkoralle, einer Diffusionsschicht oder auf der Seite des Separators ausgebildeten Grübchen gebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei welcher das Gasdiffusionselement durch Anordnung eines zusätzlichen zweiten metallischen Streckgitters (22) auf einer keine elektrische Leistung erzeugenden Oberfläche zwischen dem ersten metallischen Streckgitters (20) und dem Kathodenverteiler ausgebildet ist.