DE19746301A1

DE19746301A1 - Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt

Info

Publication number: DE19746301A1
Application number: DE19746301A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Enami
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1998-04-23
Also published as: JPH10125338A; US5922485A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt, wel che einen festen Polymerelektrolytfilm als eine elektrolytspeichernde Schicht und auf den beiden Hauptflächen des festen Polymerelektrolytfilms Elektroden aufweist und dem Elektrolyten und den Elektroden Brennstoffgas und Oxida tionsgas zuführt, um durch elektrochemische Reaktionen elektrische Energie zu erhalten. Besonders betrifft die Erfindung eine Ausbildung (Konfiguration) der Durchflußwege für das Oxidationsgas und das Kühlmittel.

Stand der Technik

Fig. 4 ist ein Querschnitt der schematisch die Grundstruktur einer Einheitszelle in einer üblichen Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt zeigt. Hiernach sind eine Anodenelektrode 14 und eine Kathodenelektrode 16 in engem Kon takt mit den jeweiligen Oberflächen eines festen Polymerelektrolytfilms 15 laminiert. Auf den jeweiligen äußeren Oberflächen der Elektroden 14 und 16 sind Separatoren 10 und 11 angeordnet, die jeweils aus einer gasundurchläs sigen Metallplatte bestehen. Dichtungsmaterialien 17 und 17 sind jeweils auf den Seitenendabschnitten zwischen den Separatoren 10, 11 und dem Elek trolytfilm angeordnet, um die Elektroden 14, 16 und den Elektrolytfilm 15 luftdicht abzuschließen. Diese Anordnung von Elektrolytfilm 15, Elektroden 14, 16, Separatoren 10, 11 und den Dichtungsmaterialien 17, 17 bildet eine Ein heitszelle als eine Grund-Einheitsstruktur der Brennstoffzelle mit festen Poly merelektrolyten. Der Separator 10 ist zyklisch gebogen, so daß zwischen dem Separator 10 und der Kathodenelektrode 16 ein Oxidationsgaskanal 7 gebildet ist, durch den das von außen zugeführte Oxidationsgas strömt und das über schüssige Oxidationsgas ausströmt. Der Separator 11 ist ebenfalls zyklisch gebogen, so daß zwischen dem Separator 11 und der Anodenelektrode 14 ein Brennstoffgaskanal 8 gebildet ist, durch den das von außen eintretende Brennstoffgas strömt und das überschüssige Brennstoffgas ausströmt. Ein Kühlmittel, durch welches die Brennstoffzelle bei einer bestimmten Tempera tur gehalten wird, läßt man durch einen zwischen den benachbarten Separa toren 10 und 11 gebildeten Kühlmittelkanal 18 strömen.

Fig. 5 ist eine Draufsicht, welche die übliche Struktur des Separators zeigt, und zwar den Separator 10 gesehen von der Seite der Kathodenelektrode 16. Hier erstrecken sich ein Oxidationsgas-Einlaß 1 und ein Oxidationsgas-Auslaß 2 vertikal in der Richtung der Laminierung (längs der Normalrichtung zur ge zeigten Ebene). Ein Brennstoffgas-Einlaß 3 und ein Brennstoffgas-Auslaß 4 erstrecken sich vertikal in der Richtung der Laminierung. Ein Kühlmittel-Einlaß 5 und ein Kühlmittel-Auslaß 6 erstrecken sich ebenfalls vertikal in der Rich tung der Laminierung. Das vom Oxidationsgas-Einlaß 1 zugeführte Oxidati onsgas strömt durch den Oxidationsgaskanal 7, der sich so windet, daß das Oxidationsgas gleichmäßig über die Elektrode verteilt abgegeben wird, um zu den elektrochemischen Reaktionen beizutragen. Das überschüssige Oxidati onsgas wird aus dem Oxidationsgas-Auslaß 2 abgeleitet.

Ein kationisch leitender Film aus einem Kationen-Austauschfilm der Polystyrol familie mit Sulfonsäuregruppen, einem Mischfilm aus Fluoro-Carbon-Sulfonsäure und Poly(vinylidenfluorid), einer Fluorocarbonmatrix, auf welche Trifluorethylenpfropf-copolymerisiert ist, und ein Perfluorocarbonsulfonsäure film (Nafion Film von Du Pont Co.) werden für den festen Polymerelektrolyt film 15 verwendet. Der feste Polymerelektrolytfilm weist Pro ton(Wasserstoffion)austauschgruppen im Molekül auf, hat einen spezifischen Widerstand von 20 Ωcm² oder weniger bei der üblichen Temperatur, wenn er mit Wasser gesättigt ist, und wirkt als ein Protonen leitender Elektrolyt. Der gesättigte Wassergehalt im Film verändert sich reversibel mit der Temperatur.

Sowohl die Anodenelektrode 14 als auch die Kathodenelektrode 16 weisen eine Katalysatorschicht auf, die ein katalytisches Material enthält und eine Elektrodenbasis, um die Katalysatorschicht zurückzuhalten, die Reaktionsgase zuzuführen und einen elektrischen Strom aufzunehmen. Indem die Katalysa torschicht in engem Kontakt mit dem festen Polymerelektrolytfilm angeordnet ist und das Brennstoffgas, welches Wasserstoff enthält, der Anodenseite, und das Oxidationsgas, welches Sauerstoff enthält, der Kathodenseite zugeführt wird, wird an der Grenze zwischen der Katalysatorschicht und dem festen Polymerelektrolytfilm eine Drei-Phasen-Grenze gebildet und elektrische Energie wird durch die folgenden elektrochemischen Reaktionen unter Bildung von Wasser geliefert:

An der Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
An der Kathode: 2H⁺ + ½ O₂ + 2e⁻ → H₂O

Die Katalysatorschicht umfaßt im allgemeinen einen fein körnigen Platinkataly sator, ein wasserabstoßendes Fluoroharz und feine Kanäle (Bohrungen), um die Reaktionsgase wirksam an die Drei-Phasen-Grenze zu diffundieren. Die Katalysatorschicht muß eine genügende Drei-Phasen-Grenzschicht bilden.

Da die so aufgebaute Einheitszelle eine Spannung von 1 V oder weniger er zeugt, werden viele Einheitszellen laminiert, um ein Brennstoffzellenlaminat zu bilden, das eine praktisch genügend hohe Spannung erzeugt. Gewöhnlich wird die Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt bei der Betriebstempera tur von 50 bis 100°C betrieben, um den spezifischen Widerstand des Films herabzusetzen und einen hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung beizube halten.

Da der feste Polymerelektrolytfilm als Proton-leitender Elektrolyt arbeitet, wenn der spezifische Widerstand des als Elektrolyt zurückhaltende Schicht wirkenden festen Polymerelektrolytfilms durch Sättigung mit Wasser verrin gert wird, ist es notwendig, den Wassergehalt des festen Polymerelektrolyt films bei der Sättigungshöhe zu halten, um einen hohen Stromerzeugungs-Wirkungsgrad beizubehalten. Daher wird den Reaktionsgasen Wasser zuge setzt, um ihren Feuchtigkeitsgrad zu erhöhen und die befeuchteten Gase wer den der Brennstoffzelle zugeleitet. Außerdem wird verhindert, daß der feste Polymerelektrolytfilm austrocknet, indem man die Verdampfung von Wasser vom Film unterdrückt.

Das wie oben beschrieben bei der Stromerzeugung gebildete Wasser strömt durch die Gaskanäle mit überschüssigen Reaktionsgasen und wird zur Außen seite abgeleitet. Dadurch hat der Wassergehalt in den Reaktionsgasen eine Verteilung in der Gasdurchflußrichtung. Die Reaktionsgase enthalten strom abwärts mehr Wasser, da die Menge an gebildetem Wasser stromabwärts ansteigt. Wenn daher mit Wasser gesättigte Gase der Brennstoffzelle zuge führt werden, sind die Gase an der Auslaßseite an Feuchtigkeit übersättigt. Die übersättigte Feuchtigkeit kondensiert in Form von Wassertropfen, welche die Diffusion der Reaktionsgase zu den reaktiven Stellen der Elektroden ver hindern und den Wirkungsgrad der elektrochemischen Reaktionen herabset zen. Um diese Verringerung des Wirkungsgrades der elektrochemischen Reak tion zu vermeiden, muß man die überschüssige Feuchtigkeit nach außen ohne Kondensation abführen. Fig. 6(a) zeigt schematisch eine Strömungsart des Kühlmittels. Fig. 6(b) zeigt schematisch die Temperaturverteilung bei dem Strömungsbild der Fig. 6(a). Bei Fig. 6(a) ist eine Struktur verwirklicht, welche die Reaktionsgase und das Kühlmittel in der gleichen Richtung strömen läßt. Da die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts höher ist wegen der bei der Stromerzeugung erzeugten Wärme, wird die Gastemperatur stromabwärts höher. Die höhere Gastemperatur auf der stromabwärts liegenden Seite er schwert die Kondensation der Feuchtigkeit.

Aufgabe der Erfindung

Wie oben beschrieben behält die übliche Brennstoffzelle mit festem Polyme relektrolyt einen hohen Stromerzeugungswirkungsgrad bei, indem die Reakti onsgase bis zur Sättigung befeuchtet werden. Ein Absinken des hohen Stromerzeugungs-Wirkungsgrades wird verhindert, indem man die Kondensa tion überschüssiger Feuchtigkeit durch die Konstruktion verhindert, welche die Reaktionsgase und das Kühlmittel in der gleichen Richtung quer über die Brennstoffzelle strömen läßt.

Die Kühlwirkung des Kühlmittels läßt stromabwärts nach, da sich die Kühlmit teltemperatur stromabwärts in der Konstruktion erhöht, welche die Reakti onsgase und das Kühlmittel in der gleichen Richtung strömen läßt. Jedoch steigt die Temperatur innerhalb der Einheitszelle stromabwärts und sinkt in der Nähe der Endfläche der Einheitszelle ab, wie Fig. 6(b) zeigt, da die Ein heitszelle durch Wärme-Abstrahlung von ihrer Endfläche zur Luft gekühlt wird. Daher kondensiert Feuchtigkeit in den Reaktionsgasen in der Nähe der Reaktionsgas-Auslässe, da die Temperatur in der Nähe der Auslässe absinkt, und läßt Wassertropfen entstehen, welche weiter ein Absinken des Stromer zeugungswirkungsgrades bewirken.

In der die Metallseparatoren verwendenden Einheitszelle, wie in Fig. 5 gezeigt, erlaubt die Struktur, welche die Durchflußwege der Reaktionsgase von den Schlangenkanälen bildet und die zurückgesetzten Abschnitte auf den rücksei tigen Flächen der Metallseparatoren als Kühlmittelkanäle verwendet, nicht leicht eine gleichmäßige Strömung des Kühlmittels durch die Durchflußwege und eine gleichmäßige Kühlung der Einheitszelle.

Fig. 7 ist eine Draufsicht des Separators, um exemplarisch den Durchflußweg des Kühlmittels zu zeigen. Die gezeigte Struktur verwendet die zurückgesetz ten Abschnitte (gestrichelte Flächen), die auf der Rückseite des Separators entsprechend dem Oxidationsmittelkanal 7 gebildet sind, als Durchflußweg für das Kühlmittel. Das Kühlmittel, das in der Strömungsrichtung des Brennstoff gases strömt, welches vom Brennstoffgas-Einlaß 3 zum Brennstoffgas-Auslaß 4 durch die gestrichelten Abschnitte strömt, strömt vom Kühlmittel-Einlaß 5 zum Kühlmittel-Auslaß 6. Wie in der Figur gezeigt, hat der Kühlmitteldurch flußweg der gezeigten Ebene viele Sackgassen.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Kombination der benachbarten Separatoren 10 und 11. Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Kombination der benachbarten Separatoren 10 und 11. In Fig. 8 liegt der Oxi dationsgaskanal 7 des Separators 10 auf dem Brennstoffgaskanal 8 des Sepa rators 11. In Fig. 9 ist der Oxidationsgaskanal 7 auf dem Separator 10 um ei ne Kanalbreite vom Brennstoffgaskanal 8 auf dem Separator 11 verschoben. In diesen Figuren berühren sich zwei Separatoren einander dicht in einem ge strichelten Metalldichtungsabschnitt 12, so daß der gegenseitige elektrische Kontakt erhalten werden kann. Der Dichtungsabschnitt 12 trennt die Kühlmit teldurchflußwege. In der in Fig. 8 gezeigten Anordnung ist der Kühlmittel durchflußweg kammartig mit vielen Sackgassen ausgebildet. In der in Fig. 9 gezeigten Anordnung sind zwar keine Sackgassen gebildet, jedoch bilden die konvexen Abschnitte neben dem Gaskanal Schwellen. Das Kühlmittel kann daher in beiden Anordnungen nur schwer glatt strömen und es ist daher schwierig, die Elektroden auf ihren Hauptflächen gleichmäßig zu kühlen.

Um die Elektroden in der Elektrodenebene gleichmäßig zu kühlen, schalten die üblichen Zellkonstruktionen eine Metallplatte, ein Metallgitter, leitenden Koh lenstoff und ein entsprechendes leitendes Element zwischen den anodenseiti gen Separator und den kathodenseitigen Separator ein, so daß ein Durch flußweg für das Kühlmittel geschaffen werden kann. Jedoch erhöht der zu sätzliche Bestandteil wie die Metallplatte und das Metallgitter die Dicke der Brennstoffzelle, verschlechtert die Leistung der Zelle wegen des Kontaktwi derstandes zwischen dem zusätzlichen Bestandteil und des Separatoren und erhöht die Herstellungskosten.

Im Hinblick auf das vorangehende bezweckt die Erfindung die Behebung der Schwierigkeiten der üblichen Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten. Sie bezweckt auch eine Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten zu schaffen, deren Leistung nicht durch Kondensation und Verflüssigung der Feuchtigkeit in den durch die Einheitszellen strömenden Reaktionsgasen be einträchtigt wird. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten zu schaffen, welche es erleichtert, die Ein heitszellen in deren Elektrodenebenen ohne irgendwelche besonderen Bauteile leichter gleichmäßig-zu kühlen und die eine hohe Zellenleistung zeigt. Ein wei terer Zweck der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit festen Polymerelek trolyten zu schaffen, die mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Lösung der Aufgaben

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit festen Poly merelektrolyten geschaffen, welche ein Brennstoffzellen-Laminat enthält, das eine Mehrzahl von Einheitszellen enthält, die je eine flache Elektrolytschicht mit einem festen Polymerelektrolytfilm, eine Oxidationsmittel-Elektrode auf einer Hauptfläche der Elektrolytschicht, eine Brennstoffelektrode auf einer an deren Hauptfläche der Elektrolytschicht, einen ersten Separator an der Außen fläche der Oxidationsmittelelektrode, wobei der erste Separator einen Oxidati onsgaskanal an der Seite der Oxidationsmittelelektrode aufweist, einen zwei ten Separator an der Außenfläche der Brennstoffelektrode, wobei der zweite Separator einen Brennstoffgaskanal an der Seite der Brennstoffelektrode auf weist, enthalten, wobei der Oxidationsgaskanal Oxidationsgas zuführt und der Brennstoffgaskanal Brennstoffgas zuführt, wodurch elektrische Energie elek trochemisch erzeugt wird, wobei ferner ein Kühlmittelkanal zwischen benach barten Separatoren ausgebildet ist, der Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoff zelle auf eine bestimmte Temperatur zuführt und die Ströme des Kühlmittels, des Oxidationsgases und des Brennstoffgases von den jeweiligen Einlässen im Umfangsbereich des Brennstoffzellen-Laminats zu den entsprechenden Aus lässen im Mittelbereich des Brennstoffzellen-Laminats geführt werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit fe stem Polymerelektrolyten geschaffen, die eine zusammengesetzte Brennstoff zelle umfaßt, die ihrerseits eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Laminaten um faßt, die jedes eine Mehrzahl von Einheitszellen umfaßt, von denen jede fol gende Elemente umfaßt: eine flache Elektrolytschicht, die einen festen Poly merelektrolytfilm umfaßt, eine Oxidationsmittel-Elektrode auf einer Hauptflä che der Elektrolytschicht, eine Brennstoffelektrode auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolytschicht, einen ersten Separator auf der Außenfläche der Oxidationsmittel-Elektrode, wobei der erste Separator einen Oxidations gaskanal auf der Seite der Oxidationsmittel-Elektrode aufweist, einen zweiten Separator auf der Außenfläche der Brennstoffelektrode, wobei der zweite Se parator einen Brennstoffgaskanal auf der Seite der Brennstoffeleketrode auf weist, wobei der Oxidationsgaskanal Oxidationsgas zuführt und der Brenn stoffgaskanal Brennstoffgas zuführt, um elektrische Energie elektrochemisch zu erzeugen; sowie einen Kühlmittelkanal zwischen benachbarten Separato ren, wobei der Kühlmittelkanal Kühlmittel zuführt, wodurch die Brennstoffzelle auf eine bestimmte Temperatur gekühlt wird, und wobei die Ströme des Kühlmittels, des Oxidationsgases und des Brennstoffgases von jeweiligen Einlässen im Umfangsbereich der zusammengesetzten Brennstoffzelle zu je weiligen Auslässen im Mittelbereich der zusammengesetzten Brennstoffzelle verlaufen.

Vorteilhafterweise weisen der Oxidationsgaskanal einen Rücksprung auf der Seite der Oxidationsmittel-Elektrode, der Brennstoffgaskanal einen Rück sprung auf der Seite der Brennstoffelektrode, der Kühlmittelkanal Rücksprün ge auf den Oberflächen der jeweiligen Separatoren auf, wobei die Oberflächen auf der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Elektroden liegen, und die Gaskanäle weisen Vorsprünge auf, die örtlich in den jeweiligen Rücksprüngen angeordnet sind, um die Tiefe der jeweiligen Gaskanäle zu verringern.

Indem das Kühlmittel vom Umfangsbereich der Einheitszelle zugeführt und vom Mittelbereich der Einheitszelle abgeleitet wird, wie in Fig. 10(a) gezeigt, steigt die Zelltemperatur in der Elektrodenebene monoton vom Umfangsbe reich zum Mittelbereich der Einheitszelle, wie in Fig. 10(b) gezeigt. Indem man bewirkt, daß das Kühlmittel, das Oxidationsgas und das Brennstoffgas von den jeweiligen Einlässen im Umfangsbereich des Brennstoffzellenlaminats zu den jeweiligen Auslässen im Mittelbereich des Brennstoffzellenlaminats strö men, wird verhindert, daß sich die Feuchtigkeit im Oxidationsgas und Brenn stoffgas kondensiert und verflüssigt, da die Temperaturen von Oxidationsgas und Brennstoffgas ebenfalls monoton in Richtung der jeweiligen Auslässe an steigen, da im Brennstoffzellenlaminat die oben beschriebene monoton an steigende Temperaturverteilung herrscht. In der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellenlaminaten zusammengesetzten Brennstoffzelle steigt die Tem peratur in der Elektrodenebene monoton vom Umfangsbereich zum Mittelbe reich der zusammengesetzten Brennstoffzelle indem Kühlmittel vom Umfangs bereich der zusammengesetzten Brennstoffzelle zugeführt und vom Mittelbe reich der zusammengesetzten Brennstoffzelle abgeleitet wird. Indem man be wirkt, daß das Kühlmittel, das Oxidationsgas und das Brennstoffgas von den jeweiligen Einlässen im Umfangsbereich zu den jeweiligen Auslässen im Mit telbereich der zusammengesetzten Brennstoffzelle strömen, wird verhindert, daß die Feuchtigkeit im Oxidationsgas und Brennstoffgas kondensiert und sich verflüssigt, da die Temperaturen des Oxidationsgases und Brennstoffga ses ebenfalls in Richtung der jeweiligen Auslässe steigen wegen der oben be schriebenen monoton ansteigenden Temperaturverteilung in der zusammen gesetzten Brennstoffzelle.

Indem man den Brennstoffgaskanal 8 an einem anodenseitigen Separator 11 mit Vorsprüngen 9 ausbildet, um seine Tiefe zu verringern, wie in Fig. 11 ge zeigt, und indem man den Separator mit einem kathodenseitigen Separator 10 kombiniert, bei dem die entsprechenden Reaktionsgaskanäle voneinander ver schoben sind, wie in Fig. 12 gezeigt, so daß schraffierte Dichtungsbereiche 13 mit elastischem Dichtungsmaterial abgedichtet sind, wird der Kühlmittelkanal kontinuierlich über die Vorsprünge 9 zwischen den Separatoren 10 und 11 in den Bereichen ausgenommen die Dichtungsbereiche 12 auf den in Fig. 13 ge zeigten Metallebenen und den Dichtungsbereichen 13 mit den Dichtungsmate rialien gebildet, d. h. ausgenommen die schraffierten Bereiche.

Indem man also Rücksprünge auf den elektrodenseitigen Flächen der Separa toren formt und die elektrodenseitigen Rücksprünge mit Vorsprüngen zur Ver ringerung der Tiefen der Reaktionsgaskanäle ausbildet, verbinden die Vor sprünge die Rücksprünge auf den entgegengesetzten Separatorflächen mit einander, so daß die verbundenen Rücksprünge einen kontinuierlichen Kühl mittelkanal bilden. Da das Kühlmittel über die niedrigen Schwellen strömt, die von den Vorsprüngen gebildet sind, strömt das Kühlmittel gleichmäßiger in der Separatorebene. Besonders wenn die Vorsprünge im Biegungsbereich der Reaktionsgaskanäle geformt sind, werden keine Sackgassen im Kühlmittelka nal gebildet, und man erhält einen kontinuierlichen Kühlmittelkanal, der einen kontinuierlichen Durchfluß des Kühlmittels erleichtert.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung wird weiter erläutert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnun gen, welche bevorzugte Ausführungsformen zeigen.

Erste Ausführungsform

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht eines kreisförmigen kathodenseitigen Separators einer ersten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite der Ka thodenelektrode. Fig. 1(b) ist eine Draufsicht eines kreisförmigen anodenseiti gen Separators der ersten Ausführungsform, gesehen von der Seite der An odenelektrode.

Wie die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen, sind die kreisförmigen Separatoren 10 und 11 geformt durch maschinelle Bearbeitung von Metallblech. Der Separa tor 10 oder 11 weist zwei Oxidationsgaseinlässe 1, zwei Brennstoffgaseinläs se 3 und vier Kühlmitteleinlässe 5 auf. Diese Einlässe sind im Umfangsbereich des kreisförmigen Separators geformt. Der Separator 10 oder 11 weist auch einen Oxidationsgasauslaß 2, zwei Brennstoffgasauslässe 4 und vier Kühlmit telauslässe 6 auf. Diese Auslässe sind im Mittelbereich des kreisförmigen Se parators ausgebildet. Das von den Oxidationsgaseinlässen 1 zugeführte Oxi dationsgas strömt durch serpentinenförmige Oxidationsgaskanäle 7, die durch Preßarbeit geformt sind, wie in Fig. 1(a) gezeigt, zum Mittelbereich des Sepa rators 10. Das von den Brennstoffgaseinlässen 3 zugeführte Brennstoffgas strömt durch serpentinenförmige Brennstoffgaskanäle 8, die durch Preßarbeit geformt sind, wie in Fig. 1(b) gezeigt, zum Mittelbereich des Separators 11 und wird durch die Brennstoffgasauslässe 4 abgeleitet.

Das durch die vier Kühlmitteleinlässe 5 zugeführte Kühlmittel strömt durch die Kühlmittelkanäle, die durch die mit ihren Rückseiten aufeinandergelegten und so "laminierten" Separatoren 10 und 11 geformt sind, zum Mittelbereich der Separatoren. Die auf den Rückseiten der Separatoren 10 und 11 im Zusam menhang mit der Preßarbeit des Oxidationsgaskanals 7 und des Brennstoff gaskanals 8 gebildeten Rücksprünge bilden die Kühlmittelkanäle. Das Kühlmit tel wird aus vier Kühlmittelauslässen 6 abgeleitet. Vorsprünge 9, welche die Tiefe der Brennstoffgaskanäle 8 verringern, sind in den Biegungsabschnitten des Kanals 8 am Separator 11 geformt. Die Vorsprünge 9 sichern den Brenn stoffgasdurchfluß und erleichtern den kontinuierlichen Durchfluß des Kühlmit tels ohne im Kühlmittelkanal auf der Rückseite des Separators 11 irgendwel che Sackgassen zu verursachen. Wie in Fig. 1(a) gestrichelt gezeigt ist, sind elastische Dichtungsmittel 13 zwischen den Separatoren 10 und 11 angeord net, um diese luftdicht abzudichten. Die Dichtungsmittel 13 sind auch am Umfang der Separatoren und rings um die Einlässe und Auslässe angeordnet. Die Separatortemperatur steigt monoton vom Randbereich zum Mittelbereich der in der oben beschriebenen Weise konstruierten Separatoren. Da die Tem peraturen des Brennstoffgases und Oxidationsgases auch in Richtung ihrer Auslässe ansteigen, wird verhindert, daß Feuchtigkeit im Brennstoffgas und Oxidationsgas kondensiert und sich verflüssigt und eine Verschlechterung der Zell-Leistung wird vermieden. Da das Kühlmittel glatt ohne Stagnation strömt, wird eine gleichmäßige Kühlung in der Separatorebene erleichtert und die Zell-Leistung verbessert.

Die gleichen Effekte werden erhalten, indem man die Biegungsabschnitte des Oxidationsgaskanals 7 auf dem Separator 10 mit den Vorsprüngen 9 versieht, sowie indem die Biegungsabschnitte des Brennstoffgaskanals 8 auf den Sepa rator 11 mit den Vorsprüngen 9 in der ersten Ausführungsform versehen werden.

Zweite Ausführungsform

Fig. 2(a) ist eine Draufsicht eines quadratischen kathodenseitigen Separators einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gesehen von der Seite der Ka thodenelektrode. Fig. 2(b) ist eine Draufsicht eines quadratischen anodensei tigen Separators der zweiten Ausführungsform gesehen von der Anodenelek trode.

Die zweite Ausführungsform verwendet quadratische Separatoren 10 und 11 für ein quadratisches Brennstoffzellenlaminat. Ein Paar von Oxidationsgasein lässen 1 und Kühlmitteleinlässen 5 sind in den Ecken auf einer Diagnonallinie der Separatoren 10 und 11 geformt. Ein Paar von Brennstoffgaseinlässen 3 ist in den anderen Ecken auf einer anderen Diagonallinie der Separatoren 10 und 11 geformt. Die Separatoren 10 und 11 weisen je auch einen Oxidationsgas auslaß 2, zwei Brennstoffgasauslässe 4 und vier Kühlmittelauslässe 6 auf. Diese Auslässe sind im Mittelbereich der Separatoren gebildet. Das Oxidati onsgas wird von den Oxidationsgaseinlässen 1 zugeführt und strömt durch schlangenförmige Oxidationsgaskanäle 7 zum Mittelbereich des Separators.

Das Oxidationsgas wird durch den Oxidationsgasauslaß 2 abgeleitet. Das von den Brennstoffgaseinlässen 3 zugeführte Brennstoffgas strömt durch schlan genförmige Brennstoffgaskanäle 8 zum Mittelbereich des Separators und wird durch die Brennstoffgasauslässe 4 abgeleitet.

Das durch die Kühlmitteleinlässe 5 zugeführte Kühlmittel strömt zu den Kühl mittelauslässen 6 im Mittelbereich der Separatoren durch die Kühlmittelkanä le, die durch Laminieren der Separatoren 10 und 11, so daß ihre Rückseiten einander berühren, gebildet sind. Daher steigt die Separatortemperatur mono ton vom Randbereich zum Mittelbereich der Separatoren in der zweiten Aus führungsform ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Da die Temperatur des Brennstoffgases und des Oxidationsgases ebenfalls in Richtung auf ihre Auslässe steigt, wird verhindert, daß sich Feuchtigkeit im Brennstoffgas und Oxidationsgas kondensiert und sich verflüssigt, und eine Verschlechterung der Zell-Leistung wird vermieden.

Obgleich er in der zweiten Ausführungsform nicht gebildet ist, kann ein konti nuierlicher Kühlmittelweg geformt werden, indem man die Biegungsabschnitte der Kanäle 7 oder 8 mit Vorsprüngen 9 versieht, um die Tiefe des Kanals 7 oder 8 zu verringern. Indem man kontinuierliche Kühlmittelkanäle bildet, wird eine gleichmäßige Kühlung in der Separatorebene weiter erleichtert und die Zellenleistung weiter verbessert.

Dritte Ausführungsform

Fig. 3(a) ist eine Draufsicht eines quadratischen kathodenseitigen Separators einer dritten Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenla minat gesehen von der Seite der Kathodenelektrode. Fig. 3(b) ist eine Anord nung der quadratischen kathodenseitigen Separatoren in einer zusammenge setzten Brennstoffzelle mit vier quadratischen Zellenlaminaten.

Wie in Fig. 3(a) gezeigt, weist jeder Separator 10 einen Oxidationsgaseinlaß 1, einen Brennstoffgaseinlaß 3, einen Kühlmitteleinlaß 5, einen Oxidationsgas auslaß 2, einen Brennstoffgasauslaß 4 und einen Kühlmittelauslaß 6 auf. Der Oxidationsgaseinlaß 1, Brennstoffgaseinlaß 3 und Kühlmitteleinlaß 5 sind in einer Ecke des Separators 10 angeordnet. Der Oxidationsgasauslaß 2, Brenn stoffgasauslaß 4 und Kühlmittelgasauslaß 6 sind in der diagonal gegenüber liegenden Ecke angeordnet. Das vom Oxidationsgaseinlaß 1 zugeführte Oxida tionsgas strömt zum Oxidationsgasauslaß 2 durch einen Oxidationsgaskanal 7, der als eine vertiefte Windung auf dem Separator 10 geformt ist. Das vom Brennstoffgaseinlaß 3 zugeführte Brennstoffgas strömt zum Brennstoffgas auslaß 4 durch einen Brennstoffgaskanal 8, der als eine Vertiefung auf dem nicht gezeigten anodenseitigen Separator gebildet ist. Das vom Kühlmitteleinlaß 5 zugeführte Kühlmittel strömt zum Kühlmittelauslaß 6 durch die zwischen den benachbarten Separatoren gebildeten Kanäle. In der zusammengesetzten Brennstoffzelle, welche die Brennstoffzellenlaminate mit den Separatoren der dritten Ausführungsform zusammenfaßt, wie in Fig. 3(b) gezeigt, sind die Oxi dationsgaseinlässe 1, Brennstoffgaseinlässe 3 und Kühlmitteleinlässe 5 im Randbereich der zusammengesetzten Brennstoffzelle angeordnet. Die Oxidati onsgasauslässe 2, Brennstoffgasauslässe 4 und Kühlmittelauslässe 6 sind im Mittelbereich der Brennstoffzelle angeordnet. Infolge dieser oben beschriebe nen Anordnung steigt die Temperatur der zusammengesetzten Brennstoffzelle in der Separatorebene monoton in Richtung auf den Mittelbereich der zusam mengesetzten Brennstoffzelle. Da auch die Temperaturen des oxidierenden Gases und des Brennstoffgases in Richtung auf ihre jeweiligen Auslässe an steigen, wird verhindert, daß Feuchtigkeit im Oxidationsgas und Brennstoff gas kondensiert und sich verflüchtigt und es wird eine Verschlechterung der Zellenleistung verhindert.

Kontinuierliche Kühlmittelkanäle werden gebildet, indem man die Biegungsab schnitte des Kanals 7 oder 8 mit Vorsprüngen 9 versieht, um die Tiefe des Kanals 7 oder 8 zu verringern. Die kontinuierlichen Kühlmittelkanäle erleich tern weiter ein gleichmäßiges Kühlen in der Separatorebene und verbessern die Zellenleistung.

Wirkung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten zeigt die folgenden Effekte.

Die Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten, die aus einem Laminat von Brennstoffzellen besteht, zeigt ausgezeichnete Zellenleistung, da verhin dert wird, daß die Feuchtigkeit in den Reaktionsgasen kondensiert und sich verflüssigt, indem man die Reaktionsgase und das Kühlmittel vom Randbe reich zum Mittelbereich des Brennstoffzellenlaminats strömen läßt.

Die Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt, die aus einer zusammenge setzten Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenlaminaten be steht, zeigt ausgezeichnete Zellenleistung, da die Kondensation und Verflüssi gung von Feuchtigkeit in den Reaktionsgasen verhindert wird, indem man die Reaktionsgase und das Kühlmittel vom Randbereich zum Mittelbereich der zusammengesetzten Brennstoffzelle strömen läßt.

Die kompakte Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt, die ausgezeichne te Zellenleistung zeigt, kann mit geringen Herstellungskosten gebaut werden, da verhindert wird, daß die Feuchtigkeit in den Reaktionsgasen kondensiert und sich verflüchtigt und da die Einheitszelle in der Elektrodenebene gleich mäßig gekühlt wird, ohne daß irgendwelche speziellen Bauelemente verwen det werden, indem die Reaktionsgaskanäle von jeweiligen Rücksprüngen (Vertiefungen) gebildet sind und in den jeweiligen Rücksprüngen örtlich ent sprechende Vorsprünge angeordnet sind, um die Tiefe der Reaktionsgaskanäle zu verringern, so daß kontinuierliche Kühlmittelkanäle gebildet werden.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 (a) ist eine Draufsicht eines kreisförmigen kathodenseitigen Sepa rators einer ersten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite der Kathodenelektrode.

Fig. 1(b) ist eine Draufsicht eines kreisförmigen anodenseitigen Separa tors der ersten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite der Anodenelektrode.

Fig. 2(a) ist eine Draufsicht eines quadratischen kathodenseitigen Sepa rators einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite der Kathodenelektrode.

Fig. 2(b) ist eine Draufsicht eines kreisförmigen anodenseitigen Separa tors der zweiten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite der Anodenelektrode.

Fig. 3(a) ist eine Draufsicht eines quadratischen kathodenseitigen Sepa rators einer dritten Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Brennstoff zellenlaminat, gesehen von der Seite der Kathodenelektrode.

Fig. 3(b) ist eine Anordnung der quadratischen kathodenseitigen Separa toren in einer zusammengesetzten Brennstoffzelle mit vier quadratischen Brennstoffzellenlaminaten.

Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt einer Basisstruktur einer Ein heitszelle einer üblichen Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten.

Fig. 5 ist eine Draufsicht der üblichen Struktur des Separators.

Fig. 6(a) ist eine schematische Darstellung einer Durchflußart des Kühl mittels.

Fig. 6(b) ist ein Graph, der schematisch die Temperaturverteilung bei der Durchflußmethode der Fig. 6(a) zeigt.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf den Separator, die den Durchflußweg des Kühlmittels exemplarisch aufzeigt.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Kombination der benachbar ten Separatorplatten.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Kombination der benachbarten Separatorplatten.

Fig. 10(a) zeigt schematisch die Durchflußart des Kühlmittels.

Fig. 10(b) ist ein Graph, der die Temperaturverteilung bei der Durchfluß art der Fig. 10(a) erläutert.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht des im Biegungsabschnitt eines Reaktionsgaskanals gebildeten Vorsprungs.

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht der Kombination des Separators mit den Vorsprüngen im Reaktionsgaskanal und des benachbarten Separators.

Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Dichtungsbereiche und den durch die Kombination der Fig. 12 gebildeten Kühlmittelkanal zeigt.

Bezugszeichenliste

1

Oxidationsgaseinlaß

2

Oxidationsgasauslaß

3

Brennstoffgaseinlaß

4

Brennstoffgasauslaß

5

Kühlmitteleinlaß

6

Kühlmittelauslaß

7

Oxidationsgaskanal

8

Brennstoffgaskanal

9

Vorsprung

10

Separator (Kathodenseite)

11

Separator (Anodenseite)

12

Dichtungsbereich (Metallfläche)

13

Dichtungsbereich (elastisches Material)

14

Anodenelektrode

15

fester Polymerelektrolytfilm

16

Kathodenelektrode

17

Dichtungsbereich (elastisches Material)

18

Kühlmittelkanal

Claims

1. Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten mit einem Brennstoffzellen-Schichtkörper (Laminat) mit einer Mehrzahl von Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle aufweist:

- eine flache Elektrolytschicht mit einem festen Polymerelektrolytfilm (15)
- eine Oxidationsmittelelektrode (16) auf einer Hauptfläche der Elektrolyt schicht,
- eine Brennstoffelektrode (14) auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolyt schicht,
- einen ersten Separator (10) auf der Außenfläche der Oxidationsmittelelek trode (16), wobei der erste Separator auf der Seite der Oxidationselektrode einen Oxidationsgaskanal (7) aufweist,
- einen zweiten Separator (11) auf der Außenfläche der Brennstoffelektrode (14), wobei der zweite Separator auf der Seite der Brennstoffelektrode ei nen Brennstoffgaskanal (8) aufweist,
wobei der Oxidationsgaskanal (7) Oxidationsgas zuführt und der Brennstoff gaskanal (B) Brennstoffgas zuführt, um elektrochemisch elektrische Energie zu erzeugen,
- einen Kühlmittelkanal (18) zwischen benachbarten Separatoren (10, 11), wobei der Kühlmittelkanal Kühlmittel zuführt, um die Brennstoffzelle auf ei ne bestimmte Temperatur zu kühlen und
wobei das Kühlmittel, das Oxidationsgas und das Brennstoffgas zwangsweise von jeweiligen Einlässen (5; 1; 3) im Randbereich des Brennstoffzellenlaminats zu jeweiligen Auslässen (6; 2; 4) im Mittelbereich des Brennstoffzellenlaminats strömen.

2. Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten mit einer zusammengesetz ten Brennstoffzelle, wobei die zusammengesetzten Brennstoffzelle eine Mehrzahl von Brennstoffzellenlaminaten und diese jeweils eine Mehrzahl von Einheitszellen aufweisen, wobei jede Einheitszelle

- eine flache Elektrolytschicht mit einem festen Polymerelektrolytfilm (15)
- eine Oxidationsmittelelektrode (16) auf einer Hauptfläche der Elektrolyt schicht
- eine Brennstoffelektrode (14) auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolyt schicht
- einen ersten Separator (10) auf der Außenfläche der Oxidationsmittelelek trode (16), der einen Oxidationsgaskanal (7) auf der Seite der Oxidations mittelelektrode aufweist,
- einen zweiten Separator (11) auf der Außenfläche der Brennstoffelektrode (14), der einen Brennstoffgaskanal (8) auf der Seite der Brennstoffelektrode aufweist,
wobei der Oxidationsgaskanal (7) Oxidationsgas zuführt und der Brennstoff gaskanal (8) Brennstoffgas zuführt, um so elektrochemisch elektrische Ener gie zu erzeugen,
- einen Kühlmittelkanal (18) zwischen benachbarten Separatoren (10, 11), der Kühlmittel zuführt, wodurch die Brennstoffzelle auf eine bestimmte Temperatur gekühlt wird, aufweist und

wobei der Durchflußweg des Kühlmittels, des Oxidationsmittelgases und des Brennstoffgases von den jeweiligen Einlässen (5; 1; 3) im Randbereich der zu sammengesetzten Brennstoffzelle zu jeweiligen Auslässen (6; 4; 2) im Mittelbe reich der zusammengesetzten Brennstoffzelle führt.

3. Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsgaskanal (7) einen Rücksprung auf der Seite der Oxidationsmittelelektrode (16), der Brennstoffgaskanal (8) einen Rücksprung auf der Seite der Brennstoffelektrode (14), der Kühlmittelkanal (18) Rücksprünge, die auf den Oberflächen der jeweiligen Separatoren (10, 11), und zwar jeweils auf der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Elek troden geformt sind, und der Oxidationsgaskanal (7) und der Brennstoff gaskanal (8) Vorsprünge (9) aufweisen, die örtlich in den jeweiligen Rück sprüngen angeordnet sind, wodurch die Tiefe des Oxidationsgaskanals und des Brennstoffgaskanals verringert ist.

4. Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsgaskanal (7) einen Rücksprung auf der Seite der Oxidationsmittelelektrode (16), der Brennstoffgaskanal (8) einen Rücksprung auf der Seite der Brennstoffelektrode (14), der Kühlmittelkanal (18) Rücksprünge auf den Oberflächen der Separatoren (10, 11), die der Seite der jeweiligen Elektroden gegenüberliegen, aufweisen, und der Oxida tionsgaskanal (7) und der Brennstoffgaskanal (8) örtlich in den jeweiligen Rücksprüngen angeordnete Vorsprünge (9) aufweisen, welche die Tiefen des Oxidationsgaskanals (7) und des Brennstoffgaskanals (8) verringern.