DE69831615T2

DE69831615T2 - Brennstoffzelle und Separator

Info

Publication number: DE69831615T2
Application number: DE69831615T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Toyota-shi Iwase; Hitoshi Toyota-shi Hamada; Shigeyuki Toyota-shi Kawatsu; Seiji Toyota-shi Mizuno; Joji Toyota-shi Yoshimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: EP1100140B1; EP0924785A3; DE69842244D1; EP1722436A2; DE69836191D1; CA2256276A1; US6245453B1; CA2256276C; EP1722436A3; EP1722436B1; EP0924785B1; DE69831615D1; DE69836191T2; EP1100140A2; EP1100140A3; EP0924785A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die einen Separator hat, in Kontakt mit einem Paar Elektroden, zwischen welche ein Elektrolytfilm gelegt ist.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Eine Brennstoffzelle ist als eine Vorrichtung bekannt, die dazu dient, Brennstoffenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle ist im Allgemeinen derart gestaltet, dass sie mit einem Paar Elektroden mit einem dazwischengelegten Elektrolytfilm versehen ist, und durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases, z. B. Wasserstoff, und eines sauerstoffhaltigen Gases aus dem Raum zwischen dem Paar Elektroden Energie erzeugt wird. Bei dieser Reaktion wird das Brenngas derart zugeführt, dass es mit der Oberfläche einer der Elektroden in Kontakt gelangt, und das sauerstoffhaltige Gas wird derart zugeführt, dass es mit der Oberfläche einer anderen Elektrode in Kontakt gelangt. Der Brennstoffzelle kann auf eine hoch effiziente Weise Energie entzogen werden, solange Brenngas und sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden.
14 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Bauform einer Stapelstruktur 5 zeigt, die eine allgemeine Brennstoffzelle bildet, und 15 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht in Einzelteilen, welche die Struktur einer Einheitszelle 10 als eine Basiseinheit der in 14 gezeigten Stapelstruktur zeigt. Im Allgemeinen ist die Brennstoffzelle, zum Beispiel eines Polymer-Elektrolyt-Typs, als die Stapelstruktur 5 gebildet, wie in 14 gezeigt ist. Diese Stapelstruktur 5 wird durch Aufeinanderschichten einer vorgeschriebenen Anzahl von Einheitszellen 10, dann Anordnen von Kollektorplatten 26, 27, Isolierplatten 28, 29 und Endplatten 40, 45 auf aufeinanderfolgende Weise an beiden Enden der Einheitszellen und dann Befestigen unter Nutzung von beispielsweise Schrauben und Muttern derart erzeugt, dass die in dem Zustand erhalten wird, in welchem ein gegebener Druck in die Richtung (die durch den Pfeil bezeichnete Richtung) der Aufeinanderschichtung der Einheitszelle aufgebracht wird. Die Kollektorplatten 26, 27 sind jeweils mit Ausgangsanschlüssen 26A, 27A versehen, welche es ermöglichen, die in der durch die Stapelstruktur 5 aufgebauten Brennstoffzelle erzeugte elektromotorische Kraft abzugeben.
In einer solchen Brennstoffzelle ist ein Separator genanntes Element vorgesehen, welches als ein Gasdurchgang und eine Kollektorelektrode dient, um der Elektrodenoberfläche Brenngas und saustoffhaltiges Gas zuzuführen. Ein Separator des geraden Typs, der mit einer Vielzahl von linearen Durchgangsausnehmungen versehen ist, ist konventionell genutzt worden. Es sind auch ein Separator des Schlangenlinientyps, bei welchem ein Durchgang gebogen ist, (offenbart in der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A) Nr. HEI 7-263003) und Separatoren des Gittertyps bekannt, bei welchen mehrere Vorsprünge angeordnet sind und ein Durchgang durch einen Zwischenraum zwischen diesen Vorsprüngen ausgebildet ist.
Die Einheitszelle 10 als eine Basiseinheit der Stapelstruktur 5 gemäß 14 enthält, wie in 15 gezeigt ist, einen Verbindungskörper (Reaktionselektrodenschicht) 15, der durch Einlegen eines Elektrodenfilms 11 zwischen eine Katode 12 und eine Anode (nicht gezeigt) erzeugt wird, und Separatoren 20A, 20B (der Gittertyp ist als ein Beispiel gezeigt), die auf beiden Seiten der Reaktionselektrodenschicht 15 angeordnet sind. Von diesen Teilen sind die Separatoren 20A, 20B aus einem gasundurchlässigen Element ausgebildet. Mehrere Rippen 22, die aus kleinen vorstehenden Stücken ausgebildet sind, sind auf beiden Flächen 31 der Separatoren angeordnet.
Wenn diese Separatoren 20A, 20B in der Brennstoffzelle montiert sind, bildet die Rippe (nicht gezeigt), die auf der Oberfläche der Separatoren 20A auf der Katodenseite ausgebildet ist, einen Durchgang für oxidierendes Gas, das der Katode 12 zugeführt wird. Während die auf der Oberfläche 21 des Separators 20B auf der Anodenseite ausgebildete Rippe 22 einen Durchgang für Brenngas bildet (das der Anode zugeführt wird (nicht gezeigt). Die auf der Oberfläche 21 gegenüber der vorhergehend genannten Oberfläche des Separators 20A ausgebildete Rippe 22 bildet einen Durchgang für Brenngas, das der Anode (nicht gezeigt) einer anderen angrenzenden Einheitszelle (nicht gezeigt) zugeführt wird, und eine auf der Oberfläche gegenüber der vorhergehend genannten Oberfläche des Separators 20B ausgebildete Rippe (nicht gezeigt) bildet einen Durchgang für oxidierendes Gas, das noch einer anderen angrenzenden Einheitszelle (nicht gezeigt) zugeführt wird. Ein Separator führt deshalb beide Typen des Gases angrenzenden Reaktionselektroden zu und verhindert eine Mischung beider Gase.
Durch den Durchgang für oxidierendes Gas strömendes oxidierendes Gas wird in die Reaktionselektrodenschicht verteilt, die in dem Durchgang für oxidierendes Gas freiliegt, und wird der Katode der Reaktionselektrodenschicht zugeführt. In ähnlicher Weise wird das durch den Brenngasdurchgang strömende Brenngas in der Reaktionselektrodenschicht verteilt, die in dem Brenngasdurchgang freiliegt, und wird der Anode der Reaktionselektrodenschicht zugeführt. In Folge dessen wird das entsprechende Gas in der Reaktionselektrodenschicht 15 für die elektrochemische Reaktion verwendet, um die elektromotorische Kraft zu erzeugen.
Insbesondere in der Reaktionselektrodenschicht 15 laufen die durch die Formel (1) und die Formel (2) bezeichneten Reaktionen auf der Seite der Anode bzw. der Katode ab, und insgesamt läuft die durch die Formel (3) bezeichnete Reaktion ab.
Der Separator des Schlangenlinientyps hat einen engen Gaseinlass und einen langen Gasdurchgang, was in einem ausgezeichneten Gas-Diffusionsvermögen resultiert.
Bei dem bekannten Separator des Schlangenlinientyps ist ein Partialdruck des Gases in dem Gasdurchgang nicht konstant einheitlich. Demgemäß gibt es die Möglichkeit, dass die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle als eine Batterie verschlechtert werden kann.
Bei dem Separator des Gittertyps kann, selbst wenn ein Durchgang aufgrund von zum Beispiel Überflutung oder dergleichen verstopft ist, Kondensatwasser, Gas und erzeugtes Wasser in andere Durchgänge strömen. So hat dieser Typ eine ausgezeichnete Entwässerung sowie ein hohes Diffusionsvermögen des Gases. Bei dem bekannten Separator des Gittertyps sind die Durchgänge jedoch in Vorwärts- und Rückwärts-Richtungen verteilt, was zu der Möglichkeit einer ungenügenden Gasströmungsrate führt. Eine Unzulänglichkeit in der Gasströmungsrate unterbricht die Diffusion des Gases, was eine Konzentrationspolarisierung verursacht, was in einer verschlechterten Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle als eine Batterie resultiert.
Im Falle der Anwendung trockenen Gases mit einer geringen Feuchtigkeit als das Zufuhrgas (Brenngas und sauerstoffhaltiges Gas) ist die Entwässerung auf der Elektrodenseite, welcher sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, übermäßig stark. Daher tritt der Fall auf, in welchem ein Elektrolytfilm austrocknet. Dies führt zu der Möglichkeit der Verschlechterung der Charakteristiken der Zelle.
Das US-Patent Nr. 3.801.374 offenbart ferner eine Säure-Brennstoffzelle unter Nutzung einer Separatorplatte, die eine Vielzahl von Bolzen, die aus deren Unterteil hervorstehen, und zwei Rippen hat, welche die Fläche teilen, in welcher die Bolzen in drei Bereiche vorstehen, welche einen Fluidkanal ausbilden, der die Bereiche miteinander verbindet. Die Breite des Bereichs zwischen dem Paar Rippen ist breiter als die Breiten der Bereiche nahe dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt des Separators.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Diffusionsvermögen des Zufuhrgases in einer Brennstoffzelle zu steigern und die Entwässerung zu verbessern, während ein Anstieg der Strömungsrate bewirkt wird.
Die vorhergehend genannte Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle gelöst, wie sie im Anspruch 1 definiert ist. Die abhängigen Ansprüche definieren Weiterentwicklungen der Brennstoffzelle.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, die eine typische Struktur einer Einheitszelle zeigt, die eine Brennstoffzelle bildet.
2 ist eine Schnittansicht, die eine typische Brennstoffzelle unter Nutzung einer Einheitszelle zeigt, wie sie in 1 gezeigt ist.
3 ist eine Draufsicht eines Separators, welcher in der in 2 gezeigten Brennstoffzelle verwendet werden kann.
4 ist eine perspektivische Ansicht mit einem Teil im Schnitt, welcher den Separator gemäß 3 zeigt.
5 und 6 sind grafische Darstellungen, die jeweils die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte einer Brennstoffzelle zeigen.
7 ist eine Draufsicht eines anderen Separators, welcher in der in 2 gezeigten Brennstoffzelle verwendet werden kann.
8 ist eine Draufsicht noch eines weiteren Separators, welcher in der in 2 gezeigten Brennstoffzelle verwendet werden kann, um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bilden.
9 ist eine Draufsicht einer Kühlplatte, welche in der in 2 gezeigten Brennstoffzelle verwendet werden kann.
10 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte einer Brennstoffzelle zeigt.
11 ist eine Draufsicht einer anderen Kühlplatte, welche in der in 2 gezeigten Brennstoffzelle verwendet werden kann.
12 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte einer Brennstoffzelle zeigt.
13 ist eine Draufsicht eines anderen Separators und einer anderen Kühlplatte, welcher/welche in der in 2 gezeigten Brennstoffzelle verwendet werden können.
14 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Bauform einer Stapelstruktur zeigt, die eine herkömmliche Brennstoffzelle bildet.
15 ist eine auseinandergezogene Ansicht in Einzelteilen, die eine Einheitszelle als eine Basiseinheit von 14 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (im Folgenden einfach „Brennstoffzelle" genannt) gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine Stapelstruktur unter Nutzung einer Einheitszelle als eine Basiseinheit. 1 ist eine erläuternde Ansicht, die einen typischen Schnitt einer Einheitszelle 50 zeigt. Die Einheitszelle 50 der Brennstoffzelle ist aus einem Elektrolytfilm 51, einer Anode 52, einer Katode 53 und Separatoren 100A, 100B ausgebildet.
Die Anode 52 und die Katode 53 bilden Gasdiffusionselektroden zum Zwischenlegen des Elektrolytfilms 51 zwischen beide Seiten, um eine Sandwichstruktur auszubilden. Diese Sandwichstruktur ist ferner zwischen die Separatoren 100A, 100B gelegt, welche Durchgänge für Brenngas und sauerstoffhaltiges Gas zwischen diesen selbst und der Anode 52 bzw. der Katode 53 bilden. Ein Brenngasdurchgang 100AP ist zwischen der Anode 52 und dem Separator 100A ausgebildet und ein Durchgang für sauerstoffhaltiges Gas 100BP ist zwischen der Katode 53 und dem Separator 100B ausgebildet.
1 zeigt, dass jeder der Separatoren 100A, 100B einen Durchgang nur auf einer Fläche von diesen hat. Tatsächlich sind Durchgänge auf beiden Flächen ausgebildet und diese Separatoren dienen jeweils als der Separator für eine angrenzende Einheitszelle. Diese Separatoren 100A, 100B bilden insbesondere den Brenngasdurchgang 100AP zwischen jeweils einer Fläche von diesen und der Anode 52 und bilden 100BP zwischen jeweils einer Fläche von diesen und einer Katode einer angrenzenden Einheitszelle aus. Auf diese Weise bilden die Separatoren 100A, 100B einen Gasdurchgang zwischen diesen selbst und der Gasdiffusionselektrode aus und dienen dazu, die Strömungen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas in Kombination mit einer angrenzenden Einheitszelle zu trennen. Wenn die Einheitszellen 50 aufgeschichtet werden, um eine Stapelstruktur auszubilden, wird ein Durchgang auf nur jeweils einer Fläche, welche mit der Gasdiffusionselektrode in Kontakt ist, von zwei Separatoren ausgebildet, die auf beiden Seiten der Stapelstruktur positioniert sind, um einen Durchgang auszubilden.
Der Elektrolytfilm 51 ist hier ein protonenleitender Ionenaustauschfilm, der aus einem festen Polymermaterial, z. B. einem Fluorharz, ausgebildet ist, und zeigt in einem befeuchteten Zustand eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Nafionfilm (hergestellt von Du Pont) verwendet. Platin oder eine aus Platin und anderen Metallen zusammengesetzte Legierung wird als ein Katalysator auf die Oberfläche des Elektrolytfilms 51 aufgebracht. Zum Aufbringen des Katalysators wird das folgende Verfahren angewandt, bei dem Kohlepulver tragendes Platin oder eine aus Platin und einem anderen Metall zusammengesetzte Legierung hergestellt wird, das diesen Katalysator tragende Kohlepulver in einem geeigneten organischen Lösungsmittel verteilt wird, eine elektrolytische Lösung in einer geeigneten Menge dem Lösungsmittel zugefügt wird, um eine Paste auszubilden, und ein Siebdruck auf dem Elektrolytfilm 51 ausgeführt wird.
Das einen Platinkatalysator tragende Kohlepulver wird mittels des folgenden Verfahrens hergestellt. Zuerst wird eine Platinsäure-Lösung mit Natriumthiosulfat gemischt, um eine Lösung eines Platinsulfitkomplexes zu erzeugen. Eine Wasserstoffperoxid-Lösung wird tropfenweise zugeführt, während die Lösung umgerührt wird, um kolloidale Platinpartikel in der Lösung auszufällen. Als Nächstes wird die resultierende Lösung umgerührt, während dieser Lösung Rußschwarz (zum Beispiel Vulcan XC-72^TM (CABOT in den USA) oder Denka Black^TM (Denkhi Kagaku Kogyo K.K) zugefügt wird, um zu ermöglichen, dass ein Platinpulver an der Oberfläche von Rußschwarz haftet. Dann wird das Rußschwarz, an welchem Platinpartikel haften, durch Filtrieren entweder unter reduziertem Druck oder unter Druck stehend von der Lösung getrennt, und das separierte Rußschwarz wird wiederholt in entmineralisiertem Wasser gewaschen und dann bei einer Raumtemperatur völlig getrocknet. Dann wird das durch den Trocknungsprozess koagulierte Rußschwarz unter Nutzung eines Brechwerks zerbrochen und bei 250 bis 350°C für ungefähr 2 Stunden in einer Wasserstoff-reduzierenden Atmosphäre erwärmt, um durch Rußschwarz adsorbiertes Platin zu reduzieren und um nicht entferntes, restliches Chlor zu entfernen, wodurch ein Kohlenstoffpulver hergestellt wird, das einen Platinkatalysator trägt.
Die Trägerdichte von Platin auf Rußschwarz (das Verhältnis der Menge an Platin auf Kohlenstoff zu der Menge an Kohlenstoff) kann durch die Änderung des Verhältnisses der Menge an Platinsäurechlorid zu der Menge an Rußschwarz gesteuert werden und daher kann ein Platinkatalysator erzielt werden, der eine optionale Trägerdichte hat. Das Verfahren zur Herstellung des Platinkatalysators ist nicht auf das vorhergehend genannte Verfahren begrenzt. Ein durch andere Verfahren hergestellter Platinkatalysator kann verwendet werden, soweit in diesen Verfahren eine ausreichende katalytische Aktivität erreicht wird.
Die vorhergehenden Erklärungen sind für den Fall der Nutzung von Platin als ein Katalysator angegeben worden. Abgesehen von Platin kann ein Legierungskatalysator zu Anwendung kommen, der eine Legierung aufweist, die aus Platin als eine erste Komponente und einer Komponente oder mehre- ren Komponenten, ausgewählt aus Ruthenium, Nickel, Kobalt, Indium, Eisen, Chrom, Mangan und dergleichen als zweite Komponente besteht.
Sowohl die Anode 52 als auch die Katode 53 sind aus Kohlenstoffgewebe ausgebildet, das aus Kohlenstoff-Fasern gewebt ist. Es ist gleichfalls zu bevorzugen, diese Elektroden unter Nutzung von Kohlenstoff-Papier oder Kohlenstoff-Filz an Stelle des Kohlenstoff-Gewebes herzustellen.
Der Elektrolytfilm 51, die Anode 52 und die Katode 53 werden durch Thermokompression zusammengebracht. Insbesondere der Elektrolytfilm 51, der mit einem Katalysator wie zum Beispiel Platin beschichtet ist, wird zwischen die Anode 52 und die Katode 53 gelegt, und diese Materialien werden in der Wärme bei einer Temperatur im Bereich von 120 bis 130°C thermokomprimiert. Als ein anderes Verfahren als die Thermokompression zum Zusammenbringen des Elektrolytfilms 51, der Anode 52 und der Katode 53 kann ein Klebeverfahren angewandt werden. Wenn der Elektrolytfilm 51 zwischen die Anode 52 und die Katode 53 gelegt ist, wenn die Elektrode und der Elektrolytfilm 51 unter Nutzung einer elektrisch leitfähigen Protonen-Festpolymer-Lösung (zum Beispiel Nafion-Lösung, hergestellt von Aldrich Chemical) verbunden werden, wirkt die elektrisch leitfähige Protonen-Festpolymer-Lösung im Verlauf ihrer Verfestigung als ein Klebstoff, wodurch die Elektrode und der Elektrolytfilm 51 gesichert werden.
Die Separatoren 100A, 100B sind aus einem gasundurchlässigen elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Feinkohlenstoff gefertigt, welcher durch Pressen von Kohlenstoff gasundurchlässig gemacht wird.
Die vorhergehenden Beschreibungen sind angegeben, um die Struktur der Einheitszelle 50 zu erklären, welche eine Basiseinheit ist. Wenn sie tatsächlich als eine Brennstoffzelle hergestellt wird, werden die Separator 100A, die Anode 52, der Elektrolytfilm 51, die Katode 53 und der Separator 100B in dieser Reihenfolge aufeinander geschichtet und eine Gruppe dieser Materialien wird mehrfach aufeinander geschichtet (zum Beispiel 100 Gruppen). Dann werden die Kollektorplatten, die aus Feinkohlenstoff oder einer Stahlplatte bestehen, auf beiden Enden des vorhergehend genannten aufeinander geschichteten Körpers angeordnet, um eine Stapelstruktur auszubilden.
Als Nächstes wird eine Brennstoffzelle unter Bezugnahme auf 2 bis 13 erklärt. Es ist festzustellen, dass eine Brennstoffzelle unter Nutzung des in 8 gezeigten Separators ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist und dass sich eine Brennstoffzelle unter Nutzung des in 3, 7 oder 12 gezeigten Separators außerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche befindet.
Bei der Brennstoffzelle FB10, wie sie in 2 gezeigt ist, sind ein Separator 300A, eine Anode 72, ein Elektrolytfilm 71, eine Katode 73 und ein Separator 300B in dieser Reihenfolge aufeinander geschichtet und eine Gruppe dieser Materialien ist mehrfach (in 3 Gruppen gemäß 2) aufeinander geschichtet, wobei eine Kühlplatte 30 in jede Schichtung der Gruppe eingefügt ist. Eine Kombination von drei Einheitszellen 70, die eine solche Struktur haben, und der Kühlplatte 30 wird mehrfach, zum Beispiel in 100 Gruppen, aufeinander geschichtet. Die Kühlplatte 30 ist aus dem gleichen Material wie die Separatoren 300A, 300B ausgebildet und dient dazu, die Temperatur einer Brennstoffzelle FB10 durch Zufuhr und Entzug von externem Kühlwasser zu steuern.
3 ist eine Draufsicht eines Separators 300A, welcher in der Brennstoffzelle FB10 verwendet werden kann. 4 ist eine perspektivische Ansicht des halben Teils des Separators 300A. Wie in 3 und 4 gezeigt ist, ist der Separator 300A als ein quadratische Plattenmaterial ausgebildet, in welchem quadratische Löcher 301, 303 in einer großen Größe jeweils in der Nähe von zwei gegenüberliegenden Kanten und quadratische Löcher 305, 306, 307, 308 in einer kleinen Größe jeweils in der Nähe der zwei anderen Seitenkanten ausgebildet sind.
Die Löcher 301, 303 in einer kleinen Größe bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, zwei Durch- gänge zur Zufuhr und zum Entzug von Kühlwasser, wobei diese Durchgänge die Brennstoffzelle 310 in der Richtung der Schichtung durchdringen. Die zwei Löcher 305, 308 in einer kleinen Größe, welche einander auf einer diagonalen Linie gegenüber liegen, bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, zwei Durchgänge zur Zufuhr und zur Abgabe von Brenngas, wobei die Durchgänge die Brennstoffzelle 310 in der Richtung der Schichtung durchdringen. Die restlichen Löcher 306, 307 in einer kleinen Größe bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, Durchgänge zur Zufuhr und zur Abgabe von sauerstoffhaltigem Gas, wobei die Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen.
In einem weiter innen als eine Umfangsebene des Separators 300A, wobei in dieser Ebene diese Löcher 301, 303 und 305, 306, 307, 308 ausgebildet sind, liegenden Teilabschnitt ist eine abgestufte Oberfläche 311 eine Stufe tiefer als die vorhergehend genannte Umfangsebene ausgebildet. Auf der abgestuften Oberfläche 311 sind mehrfach Vorsprünge 313 ausgebildet, welche rechteckige Parallelepipede mit 2 mm Breite, 2 mm Länge und 1 mm Höhe sind, und regelmäßig gitterartig angeordnet sind.
Auf der abgestuften Oberfläche 311 sind zwei lineare Rippenstücke 355, 356 angeordnet, um die Breite der abgestuften Oberfläche 311 in drei gleiche Teile zu teilen. Jedes der Rippenstücke 355, 356 hat die gleiche Höhe von 1 mm wie der Vorsprung 313, eine Breite von 1 mm und eine Länge, die kürzer als die Seitenbreite der abgestuften Oberfläche 311 ist. Die Rippenstücke 355, 356 sind derart ausgebildet, dass die der Richtung nach umgekehrten Enden 355a, 356a der Rippenstücke 355, 356, jeweils mit der Umfangsebene des Separators 300A verbunden sind, und die anderen Enden 355b, 356b der Rippenstücke 355, 356 jeweils beabstandet von der Umfangsebene in dem gegebenen Abstand S positioniert sind. Der Abstand S gleicht der Breite W eines Durchgangs, der durch die Rippenstücke 355, 356 ausgebildet ist.
Die abgestufte Oberfläche 311 ist durch die Rippenstücke 355, 356 in drei Flächen geteilt. Diese Flächen stehen miteinander in Verbindung und in Folge dessen wird auf der abgestuften Oberfläche 311 ein großer wellenförmiger Durchgang (gebogene Form) ausgebildet. Beide Enden des Durchgangs sind mit bestimmten Positionen der Löcher 305 und 308 verbunden. Da keine abgeteilte Wand zwischen den Enden des Durchgangs bzw. den Löchern 305, 308 vorhanden ist, steht der wellenförmige Durchgang mit den Löchern 305, 308 in Verbindung. Im Ergebnis wird ein Brenngas aus dem Durchgang zur Zufuhr und zur Abgabe von Brenngas, wobei dieser Durchgang die Löcher 305, 308 aufweist, aus dem vorhergehend genannten Durchgang auf der abgestuften Oberfläche 311 zugeführt und abgegeben.
Gemäß dem Separator 300A, der eine solche Struktur hat, bildet eine Kombination der Rippenstücke 355, 356, der abgestuften Oberfläche 311 und der Oberfläche der Anode 72 einen wellenförmigen Durchgang (großen Durchgang) für Brenngas aus. Im Detail betrachtet, bildet eine Kombination der Vorsprünge 313, der abgestuften Fläche 311 und der Oberfläche der Anode 72 Durchgänge (kleine Durchgänge) für Brenngas aus, welche sich in eine Vielzahl von Richtungen verzweigen. Diese Durchgänge für Brenngas entsprechen den in 1 gezeigten Brenngasdurchgängen 100AP.
Auch auf der anderen Oberfläche (der Rückseite gemäß 6) des Separators 300A sind jeweils eine abgestufte Oberfläche, Vorsprünge und Rippenstücke (beide nicht gezeigt) ausgebildet, welche die gleichen Formen wie die abgestufte Oberfläche 311, die Vorsprünge 313 und die Rippenstücke 355, 356 haben. Eine Kombination dieser abgestuften Oberfläche, der Vorsprünge, der Rippenstücke und der Oberfläche der Katode 73 bilden einen Durchgang für sauerstoffhaltiges Gas aus. Sauerstoffhaltiges Gas aus dem Durchgang zur Zufuhr und zur Abgabe von sauerstoffhaltigem Gas, wobei dieser Durchgang die Löcher 306, 307 aufweist, wird aus dem Durchgang für sauerstoffhaltiges Gas. zugeführt und abgegeben. Ein solcher Durchgang von sauerstoffhaltigem Gas entspricht dem in 1 gezeigten Durchgang 100BP für sauerstoffhaltiges Gas.
Wie im Detail erklärt wird, ist in der Brennstoffzelle 310 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Löchern 305 und 308 ein wellenförmiger Durchgang für Brenngas ausgebildet und mehrere Vorsprünge 313 sind in dem Durchgang ausgebildet. Die Ausbildung der Rippenstücke 355, 356 sichert, dass die gesamte Breite des Durchgangs, der mit den Löchern 305, 308 als Einlass und Auslass von Brenngas in Verbindung steht, verringert wird. Da die enge Breite des Durchgangs die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases erhöht, kann die Konzentrationspolarisierung durch Steigerung des Diffusionsvermögens des Brenngases reduziert werden. Auch im Fall des sauerstoffhaltigen Gases wird die gleiche Struktur ausgeführt, bei welcher die Konzentrationspolarisierung durch Steigerung des Diffusionsvermögens des Brenngases reduziert werden kann.
Bei dieser Brennstoffzelle FB10 ist die Gesamtlänge des Durchgangs durch das Ausbilden des Gasdurchgangs in Wellenform verlängert. Es ist deshalb möglich, das Austrocknen des Elektrolytfilms zu verhindern, selbst wenn trockenes Gas als das Zufuhrgas genutzt wird, welches das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas enthält. Im Allgemeinen wird auf der Katode 323 durch eine Elektrodenreaktion Wasser erzeugt und es gibt den Fall, in welchem die Ableitung des erzeugten Wassers übermäßig erfolgt, was das Austrocknen des Elektrolytfilms bewirkt. Bei der Brennstoffzelle unter Nutzung des Separators gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch, wenn die Gesamtlänge des Durchgangs lang ist, das Zufuhrgas allmählich befeuchtet, wenn es vorwärts strömt, und daher wird verhindert, dass der Elektrolytfilm 321 austrocknet. Daher können die Aktionen, durch welche die Konzentrationspolarisierung reduziert wird, und das Austrocknen des Elektrolytfilms 321 verhindert wird, die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle FB10 verbessern.
Als Nächstes wird die Brennstoffzelle FB10 im Vergleich zu Brennstoffzellen gemäß Technologien des verwandten Stands der Technik erklärt. Die Brennstoffzellen gemäß dem verwandten Stand der Technik wurden in zwei Typen hergestellt, eine Brennstoffzelle, bei welcher ein Separator des Gittertyps verwendet wird, und eine Brennstoffzelle (so genannter Schlangenlinientyp), die mit einer wellenförmigen Durchgangsausnehmung versehen ist. Außerdem wurden als Betriebszustände zwei Zustände angewendet, insbesondere ein erster Zustand, in welchem feuchtes Gas (die Feuchtigkeit von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas waren 100% bzw. 90%) genutzt wurde, und ein zweiter Zustand, in welchem trockenes Gas (die Feuchtigkeit von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas waren 100% bzw. 30%) genutzt wurde.
5 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte zeigt, wenn eine Brennstoffzelle in dem ersten Zustand betrieben wird. 6 ist eine grafische Darstellung, welche die Relation zwischen Spannung und Stromdichte zeigt, wenn eine Brennstoffzelle in dem zweiten Zustand betrieben wird. In 5 und 6 bezeichnet die Kurve A die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte für die Brennstoffzelle FB10, die Kurve B bezeichnet die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte für die Brennstoffzelle des Gittertyps gemäß den Technologien des verwandten Stands der Technik, und die Kurve C bezeichnet die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte für die Brennstoffzelle des Schlangenlinientyps gemäß den Technologien des verwandten Stands der Technik.
Wie in 5 gezeigt ist, hatte das Brenngas FB10 im Gegensatz zu den Brennstoffzellen gemäß dem verwandten Stand der Technik unter der Bedingung der Nutzung des feuchten Zufuhrgases im gesamten Bereich der Stromdichte bessere Charakteristiken. Eine Spannungsreduzierung ist insbesondere bei hohen Stromdichten (ungefähr 0,5 A/cm²) gering. Eine Verbesserung im Gas-Diffusionsvermögen wurde daher bestätigt.
Wie in 6 gezeigt ist, hatte das Brenngas FB10 im Gegensatz zu den Brennstoffzellen gemäß dem verwandten Stand der Technik unter der Bedingung der Nutzung des trockenen Zufuhrgases im gesamten Bereich der Stromdichte bessere Charakteristiken. Insbesondere in dem Zustand der Nutzung trockenen Gases ist eine Spannungsreduzierung signifikant kleiner als die der Brennstoffzelle des Gittertyps gemäß dem verwandten Stand der Technik. Es wurde daher eine Verbesserung in der Verhinderung des Austrocknens des Elektrolytfilms 321 bestätigt.
Bei der Brennstoffzelle FB10 ist die Breite (welche dem Abstand S zwischen den Enden 355b, 356b der Rippenstücke 355, 356 und dem Umfangsebenen-Teilabschnitt entspricht) des Umkehrabschnitts in dem wellenförmigen Durchgang, wobei dieser Teilabschnitt durch die Rippenstücke 355, 356 ausgebildet ist, gleich der Breite W des Durchgangs. An Stelle dieser Struktur des Separators kann die in 7 gezeigte Struktur des Separators angewandt werden. Der in 7 gezeigte Separator 400A hat die gleiche Form wie der Separator 300A, außer dass die Gesamtlänge der Rippenstücken 455, 456 um 1,5 mm (1,5 mal die Breite der Projektion) länger als die der Rippenstücken 355, 356 ist. Bei einer solchen Struktur ist die Breite des Durchgangs entsprechend dem Abstand Sa zwischen den Enden 455b, 456b und der Umfangsebene enger als die Breite W des durch die Rippenstücken 455, 456 ausgebildeten Durchgangs.
Da die Breite des Umkehrabschnitts klein ist, kann demgemäß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases an dem Umkehrabschnitt erhöht werden. Aufgrund dieser Tatsache kann das Diffusionsvermögen des Zufuhrgases weiter verbessert werden, was zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit führt, wodurch die Wasserableitung verbessert wird.
Überdies kann die in 8 gezeigte Struktur angewandt werden, bei welcher die Breiten W1, W2 und W3, die durch die Rippenstücke 455, 456 eines ersten Durchgangs, zweiten Durchgangs und dritten Durchgangs strukturiert sind, jeweils der Reihenfolge nach abnehmen (d. h.: diese Breiten haben die Beziehung: W1 ≥ W2 ≥ W3). Es ist festzustellen, dass bei dem Separator 500A gemäß 8 die Breite S1 des Umkehrabschnitts von dem ersten Durchgang enger als die Breite W1 des ersten Durchgangs ist und die Breite S2 des Umkehrabschnitts von dem zweiten Durchgang ist enger als die Breite W2 des zweiten Durchgangs.
Die Strömungsgeschwindigkeit kann ferner durch die vorhergehend erwähnten zwei Einrichtungen derart erhöht werden, dass die Breite des Durchgangs mit einem Gefälle zu einer stromabwärts gelegenen Seite enger eingerichtet ist und die Breite des Umkehrabschnitts enger als die Breite des Durchgangs gerade vor dem Umkehrabschnitt eingerichtet ist. Dies steigert das Diffusionsvermögen des Zufuhrgases, wodurch die Verbesserung in der Ableitung aufgrund einer Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit stärker bewirkt werden kann.
Als Nächstes wird die Form einer Kühlplatte erklärt.
12 ist eine Draufsicht einer Kühlplatte 2300. Die Kühlplatte 2300 ist als ein quadratisches Plattenmaterial ausgebildet. Ähnlich wie bei den vorhergehend genannten Separatoren sind quadratische Löcher 2301, 2303 in einer großen Größe jeweils in der Nähe von zwei gegenüberliegenden Seitenkanten und quadratische Löcher 2305, 2306, 2307, 2308 in einer kleinen Größe jeweils in der Nähe der anderen zwei Seitenkanten ausgebildet.
Die Löcher 2301, 2303 mit einer großen Größe bilden, wenn – Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, zwei Durchgänge zur Zufuhr und zum Entzug von Kühlwasser, wobei diese Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen. Die zwei Löcher 2305, 2308 in einer kleinen Größe, welche einander auf einer diagonalen Linie gegenüber liegen, bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, zwei Durchgänge zur Zufuhr und zur Abgabe von Brenngas, wobei die Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen. Die restlichen Löcher 2306, 2307 in einer kleinen Größe bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, Durchgänge zur Zufuhr und zur Abgabe von sauerstoffhaltigem Gas, wobei die Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen.
In einem weiter innen als eine Umfangsebene der Kühlplatte 2300, wobei in dieser Ebene diese Löcher 2301, 2303, 2305, 2306, 2307, 2308 ausgebildet sind, liegenden Teilabschnitt ist eine abgestufte Oberfläche 2311 eine Stufe tiefer als die vorhergehend genannte Umfangsebene ausgebildet. Auf der abgestuften Oberfläche 2311 sind mehrfach Vorsprünge 2313 ausgebildet, welche rechteckige Parallelepipede mit 2 mm Breite, 2 mm Länge und 1 mm Höhe sind und regelmäßig gitterartig angeordnet sind. Da keine abgeteilte Wand zwischen der abgestuften Oberfläche 2311 und dem Durchgang zur Zufuhr und Ableitung von Kühlwasser und den Löchern 2301, 2303 in einer großen Größe vorhanden ist, wird Kühlwasser aus den Löchern 2301, 2303 dem Durchgang zugeführt, der durch die Vorsprünge 2313 auf der abgestuften Oberfläche 2311 ausgebildet ist, und aus diesem Durchgang abgeleitet.
Bei der Brennstoffzelle, in welcher die auf die vorhergehend genannte Weise gebildete Kühlplatte angewandt wird, sind die Durchgänge des Kühlwassers, wobei die Durchgänge in mehreren Richtungen verzweigt sind, durch eine Vielzahl von Vorsprüngen 2313 ausgebildet, die auf der Kühlplatte 2300 ausgebildet sind. Dies verbessert das Diffusionsvermögen des Kühlwassers, wodurch die Strömungsverteilung des Kühlwassers vereinheitlicht werden kann. Außerdem kann ein Heizflächenbereich durch die Wirkung der Vorsprünge 2313, die eine derartige Form haben, vergrößert werden.
Deshalb kann gemäß der Brennstoffzelle unter Nutzung der vorhergehend genannten Kühlplatte die Kühl-Funktionsfähigkeit verbessert werden. Eine Überflutung einer Gasdiffusionselektrode und ein Austrocknen des Elektrolytfilms können daher eingeschränkt werden. Daher kann die Funktionsfähigkeit der Zelle verbessert werden.
10 zeigt die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte für die Brennstoffzelle, bei welcher die vorhergehend genannte Kühlplatte genutzt wird. In der Figur bezeichnet die Kurve A die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte für die Brennstoffzelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel und die Kurve B bezeichnet die Beziehung zwischen Spannung und Stromdichte für eine Brennstoffzelle gemäß dem verwandten Stand der Technik. Die Brennstoffzelle gemäß dem verwandten Stand der Technik ist eine Brennstoffzelle, die eine Kühlplatte des geraden Typs hat, die mit einer Vielzahl von linearen Durchgangsausnehmungen ausgebildet ist.
Wie in 10 gezeigt ist, wurde beobachtet, dass die Brennstoffzelle unter Nutzung der vorhergehend genannten Kühlplatte im Spannungsabfall reduziert und in der Funktionsfähigkeit der Zelle verbessert wurde.
Als Nächstes wird die Form einer anderen Kühlplatte erklärt. Die Kühlplatte hat beinahe die gleiche Form wie die des vorhergehend erklärten Separators 300. Die Kühlplatte wird im Detail erklärt.
11 ist eine Draufsicht der Kühlplatte 3300. Wie in 11 gezeigt ist, ist die Kühlplatte 3300 als ein quadratisches Plattenmaterial ausgebildet. Ähnlich wie bei der Kühlplatte 2300 sind quadratische Löcher 3301, 3303 in einer großen Größe jeweils in der Nähe von zwei gegenüberliegenden Seitenkanten und quadratische Löcher 3305, 3306, 3307, 3308 in einer kleinen Größe jeweils in der Nähe der anderen zwei Seitenkanten ausgebildet.
Bei der Kühlplatte 3300 bilden die Löcher 3301, 3303 mit einer großen Größe, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, zwei Durchgänge zur Zufuhr und zum Entzug von sauerstoffhaltigem Gas, wobei diese Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen. Die gegenüberliegenden zwei Löcher 3305, 3308 in einer kleinen Größe auf einer diagonalen Linie, bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, zwei Durchgänge zur Zufuhr und zur Ableitung von Kühlwasser, wobei die Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen. Die restlichen zwei Löcher 3306, 3307 in einer kleinen Größe bilden, wenn Einheitszellen aufeinander geschichtet werden, Durchgänge zur Zufuhr und zur Abgabe von Brenngas, wobei die Durchgänge die Brennstoffzelle in der Richtung der Schichtung durchdringen.
In einem weiter innen als eine Umfangsebene der Kühlplatte 3300, wobei in dieser Ebene diese Löcher 3301, 3303, 3305, 3306, 3307, 3308 ausgebildet sind, liegenden Teilabschnitt ist eine abgestufte Oberfläche 3311 eine Stufe tiefer als die vorhergehend genannte Umfangsebene ausgebildet. Auf der. abgestuften Oberfläche 3311 sind mehrfach Vorsprünge 3313 ausgebildet, welche rechteckige Parallelepipede mit 2 mm Breite, 2 mm Länge und 1 mm Höhe sind und regelmäßig gitterartig angeordnet sind.
Auf der abgestuften Oberfläche 3311 sind zwei lineare Rippenstücke 3355, 3356 ausgebildet, die derart angeordnet sind, dass die Breite der abgestuften Oberfläche 3311 in drei gleiche Teile geteilt wird. Die Rippenstücke 3355, 3356 haben jeweils die gleiche Höhe von 1 mm wie der Vorsprung 3313, eine Breite von 1 mm und eine Länge, die kürzer als die Seitenbreite der abgestuften Oberfläche 3311 ist. Die Rippenstücke 3355, 3356 sind derart ausgebildet, dass in der Richtung umgekehrte Enden 3355a, 3356a der Rippenstücke 3355, 3356 jeweils mit der Umfangsebene der Kühlplatte 3300 verbunden sind, und die anderen Enden 3355b, 3356b der Rippenstücke 3355, 3356 jeweils in dem gegebenen Abstand X zu der Umfangsebene positioniert sind. Der Abstand X ist enger als die Breite Y eines durch die Rippenstücke 3355, 3356 in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildeten Durchgangs. Was die Größenordnung des Abstands X und der Breite Y anbetrifft, so bewirkt, obgleich es nicht unbedingt erforderlich ist, dass die Breite Y größer ist, der Unterschied der Beiden den Unterschied in der Kühl-Funktionsfähigkeit. Der Unterschied in der Kühl-Funktionsfähigkeit wird später beschrieben.
Die abgestufte Oberfläche 3311 wird durch die Rippenstücke 3355, 3356 in drei Flächen geteilt. Diese Flächen sind verbunden und in Folge dessen wird auf der abgestuften Oberfläche 3311 ein langer wellenförmiger Durchgang (gebogene Form) ausgebildet. Beide Enden des Durchgangs sind mit bestimmten Positionen der Löcher 3305 und 3303 verbunden. Da keine abgeteilte Wand zwischen den Enden des Durchgangs bzw. den Löchern 3305, 3308 vorhanden ist, steht der wellenförmige Durchgang mit den Löchern 3305, 3308 in Verbindung. Im Ergebnis wird Kühlwasser aus einem Durchgang zur Zufuhr und Ableitung von Kühlwasser, wobei der Durchgang die Löcher 3305, 3308 aufweist, dem vorhergehend genannten Durchgang auf der abgestuften Oberfläche 3501 zugeführt und aus diesem abgegeben.
Gemäß einer solchen Struktur bildet im Allgemeinen eine Kombination der Rippenstücke 3355, 3356, der abgestuften Oberfläche 3311 und der Oberfläche der Gasdiffusionselektrode, wobei sich diese Oberfläche gegenüber dem Elektrolytfilm befindet, einen wellenförmigen Durchgang (großen Durchgang) für Kühlwasser aus. Im Detail betrachtet bildet eine Kombination der Vorsprünge 3313, der abgestuften Oberfläche 3311 und der Oberfläche der Gasdiffusionselektrode, wobei sich diese Oberfläche gegenüber dem Elektrolytfilm befindet, Durchgänge (kleine Durchgänge) für Kühlwasser aus, welche in eine Vielzahl von Richtungen verzweigt sind.
Das Kühlwasser verzweigt sich in mehreren Richtungen durch mehrere Vorsprünge 3313, die auf der Kühlplatte 3300 ausgebildet sind, welche die vorhergehend beschriebene Struktur hat, um dadurch das Diffusionsvermögen des Kühlwassers zu verbessern. Außerdem wird die Breite des gesamten Durchgangs eingeengt, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers durch die Rippenstücke 3355, 3356 zu vergrößern.
Bei der Brennstoffzelle, bei welcher die vorhergehend genannte Kühlplatte genutzt wird, kann die Kühl-Funktionsfähigkeit (Temperaturregulierung) aufgrund des verbesserten Diffusionsvermögens und der verbesserten Strömungsgeschwindigkeit weiter verbessert werden. Dies gestattet eine Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Zelle.
Überdies ist bei dieser Brennstoffzelle der Abstand X entsprechend der Breite des Umkehrabschnitts des wellenförmigen Durchgangs des Kühlwassers enger als die Breite Y des Durchgangs. Das Diffusionsvermögen und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers können durch diesen Umkehrabschnitt verbessert werden. Die Kühl-Funktionsfähigkeit (Temperaturregulierung) kann aufgrund des verbesserten Diffusionsvermögens und der verbesserten Strömungsgeschwindigkeit weiter verbessert werden. Dies gestattet eine Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Zelle.
Die folgenden Erklärungen werden vorgenommen, um die Funktionsfähigkeiten von Brennstoffzellen zu vergleichen, die durch Verändern der Breite (welche dem Abstand X entspricht und im Folgenden wird die Breite des Umkehrabschnitts auch durch X repräsentiert) des Umkehrabschnitts des Durchgangs des Kühlwassers erzielt werden. Hier liegen zum Vergleich eine erste Struktur, bei welcher die Breite X des Umkehrabschnitts des Durchgangs des Kühlwassers enger als die Breite Y des Durchgangs ist (dieses Ausführungsbeispiel), eine zweite Struktur, bei welcher die Breite X des Umkehrabschnitts gleich der Breite Y des Durchgangs ist, und eine dritte Struktur vor, bei welcher die Breite X des Umkehrabschnitts größer als die Breite Y des Durchgangs ist.
12 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Spannung und der Stromdichte für die Brennstoffzellen zeigt, welche die vorhergehend genannten Strukturen haben. In der Figur entsprechen die Kurven F, G und H den Beziehungen für die Brennstoffzellen, welche jeweils die erste, zweite und dritte Struktur haben.
Wie in 12 gezeigt ist, hat die Brennstoffzelle mit der ersten Struktur, bei welcher die Breite X des Umkehrabschnitts des Durchgangs des Kühlwassers enger als die Breite Y des Durchgangs ist, wie in 15 gezeigt ist, im Vergleich zu den Brennstoffzellen, welche die anderen zwei Strukturen haben, über alle Stromdichten in einem Messbereich bessere Charakteristiken. Es bestätigte sich, dass ein Spannungsabfall insbesondere bei hohen Stromdichten (ungefähr 0,5 A/cm²) gering ist. Die Brennstoffzelle mit der zweiten Struktur, bei welcher die Breite X gleich der Breite Y ist, hat die zweitbesten Zellencharakteristiken.
Deshalb bestätigte es sich auch aus den in 12 gezeigten Resultaten, dass die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle dadurch verbessert werden kann, dass die Breite X des Umkehrabschnitts in dem Durchgang des Kühlwassers enger als die Breite Y des Durchgangs realisiert wird.
Der Separator 300A und die Kühlplatte 2300, welche in der Brennstoffzelle befestigt sind, bilden unter Nutzung von Rippenstücken 355, 356 (2355, 2356) jeweils einen ununterbrochenen Durchgang. Ein Separator oder eine Kühlplatte, welche die folgende Form haben, können an Stelle des vorhergehend genannten Separators und der vorhergehend genannten Kühlplatte genutzt werden. Wie in 13 gezeigt ist, sind in dem Separator oder der Kühlplatte gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite eines Durchgangs insbesondere Rippenstücken 655, 656 ausgebildet, bei welchen beide Enden jedes dieser Rippenstücken derart gestaltet sind, dass sie von der Umfangsebene beabstandet sind, und ein Durchgang durch den Spalt zwischen den Rippenstücken 655, 656 und beiden Umfangsebenen verzweigt ist. Diese Struktur ermöglicht es auch, einen großen Durchgang auszubilden, der zwischen dem Einlass 601 und dem Auslass 603 des Kühlwassers gebogene Abschnitte hat, so dass die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle verbessert werden kann.
Bei den vorhergehend genannten Brennstoffzellen wird, was das Material zum Ausbilden des Separators betrifft, Feinkohlenstoff verwendet, welcher durch Pressen von Kohlenstoff gasundurchlässig gemacht wird. Es können verschiedene Materialien verwendet werden. Der Separator kann zum Beispiel aus geformten Kohlenstoff, gebranntem Kohlenstoff oder einem metallischem Material hergestellt werden. Wenn ein metallisches Material zur Ausbildung des Separators verwendet wird, ist es wünschenswert, ein Metall auszuwählen, das eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit hat. Alternativ dazu kann die Oberfläche eines Metalls mit einem Material beschichtet werden, das eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit hat. Insbesondere dann, wenn der Separator aus einem metallischen Material ausgebildet ist, sind die Produktionskosten einer Prägeplatte in Abhängigkeit von der Größe, Anzahl und Genauigkeit der Rippe sehr verschieden. Wenn eine Rippe zur Anwendung kommt, welche die in den vorhergehend erwähnten Ausführungsbeispielen verwendete Form hat, können die Produktionskosten der Prägeplatte beträchtlich herabgesetzt werden, da die Anzahl der Rippen gering sein kann und die Rippen nicht klein sein müssen.
Überdies wird bei jeder der vorhergehend genannten Brennstoffzellen der Fall erläutert, in welchem die vorliegende Erfindung bei einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle angewandt wird. Die vorliegende Erfindung kann bei verschiedenen Typen von Brennstoffzellen wie zum Beispiel einer Brennstoffzelle des Phosphorsäuretyps und einer Fest-Elektrolyt-Brennstoffzelle zur Anwendung kommen.

Claims

Brennstoffzelle, die einen Verbindungskörper, der durch Zwischenlegen eines Elektrolytelements zwischen ein Paar Elektroden erzeugt wird, und einen Separator (500A) hat, der den Verbindungskörper hält, wobei der Separator (500A) aufweist: eine Vielzahl von Vorsprüngen, die aus einem Unterteil des Separators hervorstehen; und einen Rippenabschnitt (555, 556), welcher eine Fläche teilt, in welcher die Vorsprünge in eine Vielzahl von Bereiche vorstehen und einen Fluiddurchgang für Fluid ausbildet, welches durch den Separator strömt, wobei die Vielzahl von Bereichen miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (W1, W2, W3) jedes Bereichs verschieden ist, wobei die Breite (W1) der Bereiche nahe einem Einlassabschnitt des Fluids breiter als die Breite (W3) der Bereiche nahe einem Auslassabschnitt des Fluids ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei welcher die Anzahl der in jedem Bereich angeordneten Vorsprünge verschieden ist, wobei die Anzahl der Vorsprünge nahe dem Einlassabschnitt des Fluids größer als die Anzahl der in den Bereichen nahe dem Auslassabschnitt des Fluids angeordneten Vorsprünge ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Breite des Fluiddurchgangs mit einem Gefälle zu dessen stromabwärts gelegener Seite enger gemacht ist.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Fluiddurchgang eine gebogene Form hat.
Brennstoffzelle (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Rippenabschnitt mindestens ein Rippenstück (555, 556) aufweist.
Brennstoffzelle (50) gemäß Anspruch 5, bei welcher eine Breite (S1, S2) eines Umkehrabschnitts des Fluiddurchgangs, definiert durch das Rippenstück (555, 556), enger als die Breite (W1, W2) des Bereichs in dem Wendeabschnitt ist, welche dem Einlassabschnitt des Fluids näher ist.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Fluid Zufuhrgas enthält.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Fluid ein Kühlmittel enthält.
Brennstoffzelle gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei welcher die Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle eines Polymer-Elektrolyt-Typs ist.