DE69936421T2 - Separator für eine einheitszelle einer brennstoffzelle und diesen verwendende brennstoffzelle - Google Patents

Separator für eine einheitszelle einer brennstoffzelle und diesen verwendende brennstoffzelle Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Gasseparator für eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle, die diesen Gasseparator verwendet, und betrifft mehr besonders in einer Brennstoffzelle, die durch das Schichten von mehreren Einheitszellen zusammengesetzt ist, einen Separator für eine Brennstoffzelle, der zwischen benachbarten Einheitszellen angeordnet ist, um zusammen mit benachbarten Elementen einen inneren Brennstoffgasdurchlaß der Zelle und einen inneren Oxidationsgasdurchlaß der Zelle auszubilden, und um Brennstoffgas und Oxidationsgas zu trennen, und eine Brennstoffzelle, die einen solchen Separator verwendet.
  • 2. Bemerkungen zum Stand der Technik
  • Ein Gasseparator für eine Brennstoffzelle ist ein Element zum Zusammensetzen eines Brennstoffzellenstapels von mehreren geschichteten Einheitszellen, der eine Gasundurchlässigkeit hat, die ausreichend ist, um ein Vermischen von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die benachbarten Einheitszellen zugeführt werden, zu verhindern. Ein solcher Separator für eine Brennstoffzelle hat gewöhnlich eine Oberfläche, welche gerippt oder mit einer anderen Furchenstruktur ausgebildet ist und welche Durchlässe für Brennstoffgas und Oxidationsgas ausbildet (Gasseparatoren mit einer derartigen Struktur werden auch gerippte Zwischenverbindungsglieder genannt). Ein solcher Separator für eine Brennstoffzelle bildet, wenn er in einen Brennstoffzellenstapel einverleibt wird, einen Durchlaß für Brenngas oder Oxidationsgas (innerer Durchlaß der Einheitszelle) zwischen einem benachbarten Element (Gasdiffusionsschicht) und dieser gefurchten Struktur aus.
  • Dieser Gasseparator für eine Brennstoffzelle hat ferner an der Seite der gefurchten Struktur zum Ausbilden des Gasdurchlasses ein bestimmtes Loch. Wenn dieser Brennstoffzellenstapel durch Schichten von Einheitszellen mit Gasseparatoren ausgebildet wird, überdecken sich Löcher, die benachbarten Gasseparatoren entsprechen, miteinander, um eine Gasverteilung auszubilden, die den Brennstoffzellenstapel in seiner Längsrichtung durchdringt. Eine derartige Gasverteilung wird sowohl zum Durchströmen des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases von der Außenseite der Brennstoffzelle zu deren Innenseite und zum Verteilen des Brennstoff- und Oxidationsgases auf die einzelnen Einheitszellen als auch zum Führen des Brennstoffabgases oder des Oxidationsabgases, das nach der elektrochemischen Reaktion in jeder Einheitszelle an die Außenseite der Brennstoffzelle abgegeben wird, verwendet. Folglich kommunizieren die Verteilungen mit den inneren Durchlässen der Einheitszelle, die in den geschichteten Einheitszellen ausgebildet sind, so daß das Gas zwischen den Gasverteilungen und den inneren Durchlässen der Einheitszelle hinein- und herausfließt.
  • 16 zeigt eine Draufsicht zum Erläutern des Aufbaus eines Separators 130, der als typisches Beispiel für Gasseparateren nach dem Stand der Technik dient. Der Separator 130 hat vier Löcher an vier Seiten, d. h., Löcher 140, 143 für Luft, und Löcher 150, 152 für Brennstoffgas. Diese Luftlöcher 140, 143 und Brennstoffgaslöcher 150, 152 bilden, wenn sie zu der Brennstoffzelle durch Schichten von Elementen, die den Separator 130 aufweisen, zusammengesetzt wurden, jeweils eine Verteilung zum Zuführen von Oxidationsgas, eine Abgassammelleitung für Oxidationsgas, eine Verteilung zum Zuführen von Brennstoffgas und eine Abgassammelleitung für Brennstoffgas in der Brennstoffzelle aus.
  • An der einen Fläche des Separators 130 ist eine Rippe 150 zum Kommunizieren zwischen dem Luftloch 140 und dem Luftloch 143 ausgebildet, und an der anderen Fläche des Separators 130 (Rückseite der Zeichnung) ist eine Rippe (nicht darge stellt) zum Kommunizieren zwischen dem Brennstoffloch 150 und dem Brennstoffloch 152 vorhanden. Diese Rippen sind hier parallel ausgebildete nutenförmige Strukturen. Wenn die Brennstoffzelle durch Schichten der Elemente, die den Separator 130 aufweisen, zusammengesetzt wird, bilden diese Rippen innere Gasdurchlässe der Einheitszelle zwischen den Elementen, die an den Separator angrenzen, aus. D. h., die Rippe 155 zum Kommunizieren zwischen dem Luftloch 140 und dem Luftloch 143 bildet einen inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle aus, und die Rippe, die die Verbindung zwischen dem Brennstoffloch 150 und dem Brennstoffloch 152 herstellt, bildet einen inneren Brennstoffdurchlaß der Einheitszelle aus. Das Oxidationsgas, das in die Brennstoffzelle eingeleitet wird, strömt durch eine durch das Luftloch 140 ausgebildete Zuführungsverteilung für Oxidationsgas, wird auf die inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle, die in den einzelnen Einheitszellen ausgebildet sind, verteilt, wird nach der elektrochemischen Reaktion in der Abgassammelleitung für Oxidationsgas gesammelt und wird an die Außenseite der Brennstoffzelle abgegeben. In ähnlicher Weise strömt das Brennstoffgas, das in die Brennstoffzelle eingeleitet wird, durch die Zuführungsverteilung für Brennstoffgas, die durch das Loch 150 ausgebildet wird, wird auf die inneren Brennstoffgasdurchlässe der Einheitszelle, die in den einzelnen Einheitszellen ausgebildet sind, verteilt, wird in der Abgassammelleitung für Brennstoffgas nach der elektrochemischen Reaktion gesammelt und wird an die Außenseite der Brennstoffzelle abgegeben.
  • In einer solchen Brennstoffzelle zum Erzielen von elektromotorischer Kraft unter Anwesenheit von Brennstoffgas und Oxidationsgas für die chemische Reaktion ist es wünschenswert, den Ausnutzungsgrad des zugeführten Gases zu erhöhen. D. h., in der Brennstoffzelle wird Gas (Brennstoffgas oder Oxidationsgas), das elektrodenaktiven Stoff (Wasserstoff oder Sauerstoff) enthält, zugeführt, aber es wird nicht der gesamte elektrodenaktive Stoff in dem Gas in einer elektrochemischen Reaktion ausgenutzt, und um die elektrochemische Reaktion genügend zu fördern, wird Gas, welches den elektrodenaktiven Stoff in einer Menge enthält, die die theoretisch erforderliche Menge übersteigt, der Brennstoffzelle zugeführt. Es ist daher wünschenswert, den Gasausnutzungsgrad zu steigern, um die Menge des Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, durch Zuführen des elektrodenaktiven Stoffs in dem Gas derart, daß er in der elektrochemischen Reaktion genügend ausgenützt wird, zu verringern. Ferner ist es wünschenswert, daß es hinsichtlich des Oxidationsgases möglich ist, die Menge an Energie zu verringern, die beim Komprimieren des Oxidationsgases (für gewöhnlich Luft) verbraucht wird, und daß es möglich ist, den Energiewirkungsgrad des Gesamtsystems mit einer solchen Brennstoffzelle zu verbessern.
  • Um den Gasausnutzungsgrad dadurch zu erhöhen, daß man erreicht, daß der elektrodenaktive Stoff in dem Gas in der elektrochemischen Reaktion leichter nutzbar gemacht wird, ist es erforderlich, daß das Gas in dem Durchlaß in heftige Bewegung versetzt und ausreichend ausgebreitet wird. Dadurch wird die Berührung zwischen dem in der Elektrode angeordneten Katalysator und dem elektrodenaktiven Stoff verbessert. Um das Gas in dem Durchlaß in heftige Bewegung zu versetzen und auszubreiten, ist z. B. bekannt, die Strömungsmenge des Gases zu erhöhen, das durch den Durchgang in dem inneren Durchlaß der Einheitszelle gelangt, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Um ein solches Verfahren zu realisieren, kann die Querschnittsfläche des Durchgangs des inneren Durchlasses der Einheitszelle verringert werden. So wurde eine serpentinenförmige Struktur für die Gestalt der gefurchten Struktur vorgeschlagen, die die inneren Durchlässe der Einheitszelle, die auf dem Gasseparator ausgebildet sind, begrenzt (z. B. Dokument JP-A-7-263003 ). Die inneren Durchlässe der Einheitszelle mit der serpentinenförmigen Struktur erstrecken sich von einer Zuführungsverteilung, die an der einen Randposition des Separators angeordnet ist, zu einer Abgassammelleitung, die an der entgegengesetzten Randposition des Separators angeordnet ist. Hierbei wird das Gas, das jeder Einheitszelle zugeführt wird, in den engen Durchlaß, der fortlaufend auf der gleichen Fläche ausgebildet ist, eingeleitet. Wenn das Volumen des Gases, das der Brennstoffzelle von der Außenseite zugeführt wird, gleich ist, ist daher, verglichen mit der in 16 dargestellten Struktur, in welcher das Gas gleichzeitig in einen breiteren Bereich auf der gleichen Fläche in jeder Einheitszelle strömt, die Strömungsgeschwindigkeit durch eine beliebige Stelle in dem Durchlaß schneller, so daß der Ausnutzungsgrad verbessert ist.
  • Wenn jedoch die gefurchte Struktur, die auf dem Gasseparator ausgebildet ist, von einer solchen serpentinenförmigen Struktur ist, erhöht sich, da der innere Durchlaß der Einheitszelle in kleine Teile auf der gleichen Fläche gefaltet ist, ein Druckverlust, wenn das Gas durch den Durchlaß strömt. Daher ist es erforderlich, um die Strömungsmenge des Gases beizubehalten, das durch den Durchlaß in einer bestimmten Menge strömt, das Gas weiter zu verdichten, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei die beim Komprimieren des Gases verbrauchte Energie ansteigt, wodurch der Energiewirkungsgrad des Gesamtsystems mit dieser Brennstoffzelle verringert wird.
  • Abgesehen von dem vorstehenden Stand der Technik wurde ferner vorgeschlagen, den auf dem Separator ausgebildeten Gasdurchlaß in mehrere Bereiche zu unterteilen (z. B. Dokument JP-U-58-138268 ). In einer solchen Brennstoffzelle ist der in mehrere Bereiche unterteilte Gasdurchlaß auf einem Gasseparator (bipolare Platte) ausgebildet. Das Gas, das der Einheitszelle aus dem Gaszuführungsloch zugeführt wird, strömt hintereinander durch die mehreren Bereiche und wird aus der Gasabgabeöffnung abgegeben. In einer derartigen Anordnung wird ebenfalls die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den Durchlaß strömt, erhöht, und der Gasausnutzungsgrad wird verbessert. Ähnlich wie bei der serpentinenförmigen Struktur ist es jedoch schwierig, da die Gasströmung in der Einheitszelle kontinuierlich ist und die Gassammlungslöcher miteinander über eine Membran verbunden sind, das Pro blem des Druckverlusts hinlänglich zu lösen. In dem Aufbau nach diesem Stand der Technik kann ferner das Gas nicht genügend gleichmäßig auf jede Einheitszelle verteilt werden, da die Gasströmung in der Einheitszelle fortlaufend ist.
  • Abgesehen davon muß die gefurchte Struktur, die auf dem Gasseparator ausgebildet ist, viel feiner sein, wenn der Querschnitt des inneren Gasdurchlasses der Einheitszelle wie vorstehend erwähnt verringert wird. D. h., es ist erforderlich, den Gasseparator mit sehr hoher Genauigkeit herzustellen. Wenn der Gasseparator hergestellt wird, ist es jedoch schwierig, die Genauigkeit zu verbessern, wenn die gefurchte Struktur auf der Oberfläche ausgebildet wird. Wenn die Genauigkeit unzureichend ist, kann das zu einer verringerten Herstellungsausbeute (Zunahme von Ausschuß) oder zu Schwankungen der Zellenleistung durch verschlechterte Genauigkeit beim Ausbilden der gefurchten Struktur führen.
  • Ein Separator, der die in dem Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefaßten Merkmale aufweist und eine Brennstoffzelle, die aus Einheitszellen zusammengesetzt ist, die einen solchen Separator aufweisen, sind aus dem Dokument EP-A-0 425 939 bekannt. In der Brennstoffzelle nach diesem Dokument erstrecken sich eine Vielzahl von inneren Durchlässen der Zelle an der gleichen Fläche des Separators geradlinig von dem einen Randabschnitt des Separators zu dem entgegengesetzten Randabschnitt des Separators. Die Vielzahl von inneren Durchlässen der Zelle an der einen Fläche des Separators erstrecken sich senkrecht zu der Vielzahl von inneren Durchlässen der Zelle auf der entgegengesetzten Seite des Separators. Folglich sind die Löcher, die sich durch den Separator hindurch erstrecken, entlang allen von den vier Randabschnitten des rechteckigen Separators angeordnet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Separator und eine Brennstoffzelle zu schaffen, durch welche die Zuführungsgeschwindigkeit des Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, ohne Verringerung des Energiewirkungsgrads des Gesamtsystems, das den Separator und die Brennstoffzelle aufweist, erhöht werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den in Anspruch 1 abgegrenzten Separator und die in Anspruch 6 abgegrenzte Brennstoffzelle gelöst.
  • In dem Gasseparator für eine Einheitszelle einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle werden durch zwei Löcher zum Ausbilden von Strukturen, welche einzelne innere Durchlässe der Einheitszelle ausbilden, Gasdurchlässe (Gasverteilungen) zum Strömen von Gas in der Schichtungsrichtung des Gasseparators ausgebildet. Auf der einen Fläche des Gasseparators sind ferner Gasdurchlässe (innere Gasdurchlässe der Einheitszelle) zum Zuführen von Gas zu der Elektrolytschicht und der Elektrode in einem konkaven Abschnitt zum Verbinden von zwei Löchern ausgebildet. Auf der einen Fläche des Gasseparators sind unabhängig voneinander mehrere innere Gasdurchlässe der Einheitszelle so ausgebildet, daß sie miteinander nicht in Verbindung stehen, und wenn das Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf die Gasdurchlässe, die auf der Oberfläche des Gasseparators ausgebildet sind, verteilt wird, wird das Gas nicht auf einmal von einer einzigen Verteilung der gesamten Fläche des bestimmten Gasseparators zugeführt. D. h., das Gas wird aus den einzelnen Gasverteilungen jedem von den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die durch die Strukturen ausgebildet sind, die die inneren Durchlässe der Einheitszelle ausbilden, zugeführt, die durch Unterteilen der Fläche des Separators geschaffen wurden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Separators für eine Einheitszelle zusammengesetzt ist, steigt im Vergleich mit dem Fall, daß Gas von einer Gasverteilung allen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle zugeführt wird, die auf der Oberfläche des Gasseparators ausgebildet sind, die Strömungsmenge des Gases, das pro Einheit der Querschnittsfläche von jedem inne ren Gasdurchlaß der Einheitszelle strömt, an, und die Strömungsgeschwindigkeit ist höher, und daher ist die Ausbreitung von Gas in dem Durchlaß verbessert und der Reaktionsstoff in dem Gas erreicht den Katalysator, der auf der Elektrode angeordnet ist, leichter. Daher wird der Reaktionsstoff in der elektrochemischen Reaktion wirksamer ausgenutzt, und der Gasausnutzungsgrad wird erhöht, so daß die Menge des der Brennstoffzelle zuzuführenden Gases verringert werden kann.
  • Ferner ist insbesondere in dem Durchlaß für Oxidationsgas, das Sauerstoff aufweist, die Wasserabgabeleistung in dem Durchlaß verbessert, da die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle schneller ist. Wenn die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle abläuft, wird Wasser an der Oberfläche der Kathode, welcher das Oxidationsgas zugeführt wird, erzeugt, und dieses Wasser wird in dem Oxidationsgas verdampft und an die Außenseite der Brennstoffzelle abgegeben. Wenn jedoch Wasser innerhalb der Brennstoffzelle verbleibt, ohne daß es in das Oxidationsgas hinein verdampft wird, kann es die Gasdiffusion erschweren. Durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases in dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle kann die Verdampfung von Wasser in das Oxidationsgas hinein gefördert werden, wodurch verhindert wird, daß Wasser verbleibt, um die Gasausbreitung zu erschweren.
  • Ferner kann die Befeuchtung des der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgases verringert werden, da die Gesamtmenge an Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert ist. In der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, welche das Wasser aufweist, das an der vorstehend erwähnten Kathodenoberfläche erzeugt wurde, wird ein Teil der Feuchtigkeit, die durch die Elektrolytmembran gehalten wird, in das Oxidationsgas hinein verdampft und an die Außenseite der Brennstoffzelle abgegeben, und normalerweise wird durch vorherige Befeuchtung des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, ein Austrocknen der Elektrolytmembran verhin dert. Wenn die Gesamtmenge an Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird wie vorstehend angeführt verringert ist, ist die Menge an Feuchtigkeit, die durch das Oxidationsgas außerhalb der Brennstoffzelle aufgenommen wird, verringert, so daß die Befeuchtung des der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgases vermindert ist. Demzufolge ist die Menge an Energie, die bei der Befeuchtung des Oxidationsgases verbraucht wird, herabgesetzt. Wenn durch Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen erhaltenes reformiertes Gas als Brennstoffgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verwendet wird, ist keine besondere Anordnung zum Befeuchten des Brennstoffgases erforderlich. Wenn jedoch Wasserstoff als Brennstoffgas verwendet wird, muß dieses befeuchtet werden, bevor es in die Brennstoffzelle eingeleitet wird. In einem solchen Fall ist die Gesamtmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases ebenfalls verringert, die Befeuchtungsmenge ist verringert, und es kann Energie, die beim Befeuchten des Gases verbraucht wird, eingespart werden.
  • Ferner wird in jeder Einheitszelle einer Brennstoffzelle, die einen erfindungsgemäßen Separator aufweist, bei welchem der Bereich für die Zuführung von Oxidationsgas oder Brennstoffgas unterteilt ist und Gas den einzelnen Bereichen aus unterschiedlichen Verteilungen zugeführt wird, die Zufuhr von Gas zu der Einheitszelle nicht vollkommen versperrt, wenn an der Verbindungsstelle der Gasverteilung mit dem inneren Durchlaß der Einheitszelle Kondensat zurückbleibt. D. h., wenn Kondensat an der Verbindungsstelle verbleibt und die Zufuhr von Gas in eine bestimmte Einheitszelle versperrt ist, ist es kaum möglich, daß alle Verbindungsstellen, die den mehrfachen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle entsprechen, die auf der gleichen Fläche des Gasseparators ausgebildet sind, gleichzeitig verschlossen sind, wodurch ein Absperren der Zufuhr von Gas zu irgendeiner von den Einheitszellen der Stapelanordnung durch stagnierendes Kondensat verhindert wird.
  • In dem Separator dieses Aspekts der Erfindung können die Strukturen für die Ausbildung der mehrfachen inneren Durchlässe der Einheitszelle an beiden Seiten des Separators angeordnet sein.
  • In einem solchen Aufbau kann der Gasausnutzungsgrad sowohl in dem Durchlaß des Brennstoffgases, das Sauerstoff enthält, als auch in dem Durchlaß des Oxidationsgases verbessert werden.
  • In dem erfindungsgemäßen Separator sind Strukturen, die mehrfache innere Durchlässe der Zelle ausbilden, in einer U-Form in einer ebenen Gestalt angeordnet, und es sind U-Formen dicht aneinander in der gleichen Richtung einander gegenüberliegend angeordnet, und die zwei Löcher, die durch die Strukturen, welche die inneren Durchlässe der Zelle ausbilden, gekoppelt sind, sind dicht aneinander entlang dem gleichen Randabschnitt des Separators angeordnet.
  • In der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Strukturen, welche mehrfache innere Durchlässe der Zelle ausbilden, die auf der Oberfläche des Separators ausgebildet sind, in der U-Form, wobei die einzelnen U-Formen dicht aneinander in der gleichen Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind, und jeder innere Durchlaß der Einheitszelle verbindet die Gaszuführungsverteilung mit der Abgassammelleitung an beiden Enden der U-Form, wobei die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung dicht aneinander entlang einer Fläche der Stapelanordnung angeordnet sind.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Gasseparators für eine Einheitszelle zusammengesetzt ist, sind die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung für den Durchgang der gleichen Art von Gas entlang der einen Fläche der Stapelanordnung angeordnet, und da zwischen Gasverteilungen, die das gleiche Gas durchlassen, eine strikte Gasabdichtung nicht erforderlich ist, kann der Dichtungsaufbau in den Bereichen für das Ausbilden der Gasverteilungen vereinfacht sein. Durch Gestalten der Strukturen, welche die inneren Durchlässe der Zelle ausbilden, in der U-Form kann im Vergleich zu dem Fall der Ausbildung von sich gerade erstreckenden Strukturen, welche innere Durchlässe und Löcher für Gasverteilungen an beiden Enden ausbilden, ein breiterer Bereich auf der Oberfläche des Gasseparators für die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle ausgenutzt werden, und der Gasseparator und die Brennstoffzelle, die diesen verwendet, können in ihren Abmessungen verringert werden.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann so, wie sie in Anspruch 13 abgegrenzt ist, aufgebaut sein.
  • In diesem Aufbau sind die Abmessungen der Brennstoffzelle, da die Kühlmittelverteilung von dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle weiter entfernt ist, als die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung, in einer bestimmten Richtung (in der Richtung zwischen den Seiten, an denen die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung nicht angeordnet sind) erfolgreich verringert.
  • In dem erfindungsgemäßen Separator können die Teile, welche Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbilden, an beiden Seiten des Separators ausgebildet sein, wobei die U-Formen in entgegengesetzten Richtungen an entgegengesetzten Seiten des Separators angeordnet sind und zwei Löcher, die durch die Strukturen, welche die inneren Durchlässe der Zelle ausbilden, gekoppelt sind, an einander gegenüberliegenden Randabschnitten an der einen Fläche und an der anderen Fläche des Separators angeordnet sind.
  • In der Brennstoffzelle dieses Aspekts sind die Mehrfachverteilungsdurchlässe an beiden Seiten des Separators angeordnet, wobei sie so angeordnet sind, daß ihre U-Formen in entgegengesetzten Richtungen liegen, und die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung, die auf der einen Fläche ausgebildet und mit den inneren Gasdurchlässen der Einheits zelle verbunden sind, sind zueinander benachbart entlang einer ersten Fläche der Stapelanordnung angeordnet, und ferner sind die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung, die an der anderen Fläche ausgebildet und mit den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle verbunden sind, einander benachbart entlang einer zweiten Fläche angeordnet, die der ersten Fläche der Stapelanordnung gegenüberliegt.
  • In einer Brennstoffzelle mit einem Aufbau wie vorstehend beschrieben sind die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung zum Durchleiten von Gas derselben Art entlang einer Fläche der Stapelanordnung angeordnet, und daher kann der Dichtungsaufbau in den Bereichen für die Ausbildung der Gasverteilungen vereinfacht werden. Da ein breiterer Bereich auf der Oberfläche des Gasseparators für die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle ausgenutzt werden kann, können die Abmessungen des Separators und der Brennstoffzelle, die diesen verwendet, verringert werden. Darüber hinaus kann, da die Gasverteilung, die mit den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die auf der einen Fläche des Gasseparators ausgebildet sind, in Verbindung steht und die Gasverteilung, die mit den inneren Gasdurchlässen der Zelle, die an der anderen Fläche des Gasseparators ausgebildet sind, in Verbindung steht, entlang von einander gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind, der Abstand zwischen den Seiten, an den die Gasverteilungen in der Einheitszelle nicht angeordnet sind, erfolgreich verringert werden, und es können die Abmessungen der gesamten Brennstoffzelle verringert werden.
  • Mit dem Aufbau wie in Anspruch 7 abgegrenzt ist die Wasserabgabeleistung in dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle, durch welchen das Oxidationsgas strömt, weiter verbessert. D. h., wenn das mit dem Ablaufen der elektrochemischen Reaktion an der Kathodenoberfläche erzeugte Wasser in dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle kondensiert ist, ist die Strömung des Oxidiergases in dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle von oben nach unten gerichtet, so daß das Kondensat auf leichte Weise durch die Schwerkraft abgegeben wird, wodurch verhindert wird, daß das Kondensat in dem Durchlaß verbleibt, um den Durchgang des Gases zu erschweren.
  • Mit dem Aufbau wie in Anspruch 8 abgegrenzt kann der Aufbau der Gasverteilungen vereinfacht werden.
  • Mit dem Aufbau wie in Anspruch 9 abgegrenzt wird in der Stapelanordnung das zugeführte Gas gleichzeitig den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die in den Einheitszellen von einem Abschirmteil aus auf die Zugangsfläche der Strömung des Gases zu gelegen sind, zugeführt. Das Gas, das von den Einheitszellen abgegeben wird, die an der Zugangsfläche gelegen sind, wird den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle zugeführt, die in den Einheitszellen angeordnet sind, die von dem Abschirmteil aus auf die Abgangsfläche zu gelegen sind, wobei die Röhrenstruktur, die als Abgassammelleitung an der Zugangsseite des Abschirmteils wirkt, als Gaszuführungsverteilung verwendet wird. Daher ist im Vergleich mit dem Aufbau zum gleichzeitigen Zuführen von Gas zu den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die in allen Einheitszellen, die die Stapelanordnung ausbilden, angeordnet sind, die Menge an Gas, das jedem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle zugeführt wird, erhöht, und es ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dem Durchlaß erhöht. Auf diese Weise kann der Effekt der Erhöhung der Gasströmung in dem Durchlaß in einem einfachen Aufbau, bei dem ein Abschirmteil in der Röhrenstruktur zum Zusammensetzen der Gasverteilung ausgebildet ist, realisiert werden.
  • Wenn eine Vielzahl von Stapelanordnungen vorliegen, kann das Reaktionsgas, das einer bestimmten von der Vielzahl von Stapelanordnungen zugeführt wird, im Verlauf des Strömens durch Teile, welche Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbilden, durch Teile, welche Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbilden, der anderen Stapelanordnung strömen.
  • In einem solchen Fall hat, da die einzelnen Stapelanordnun gen die Teile, die Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbilden, als Durchlässe zum Strömen des Gases im Innern haben, jede Stapelanordnung ebenfalls den Effekt der Erhöhung der Strömungsmenge des Gases, das durch den inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle strömt, wie vorstehend angeführt wurde. Ferner kann die Anzahl der Unterteilungen der Gasströmung an der Zugangsfläche im Vergleich zu dem Fall des Einleitens von Gas in die einzelnen Stapelanordnungen nach einem vorherigen Unterteilen der Gasströmung verringert werden, da das der Brennstoffzelle zugeführte Gas nacheinander durch die Teile gelangt, welche unterteilende Durchlässe ausbilden, die in der Vielzahl von Stapelanordnungen angeordnet sind. Demzufolge kann die Strömungsmenge des Gases, das durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle strömt, weiter erhöht werden, und die Genauigkeit der Unterteilung der Gasströmung ist verbessert. Da die Genauigkeit der Unterteilung der Gasströmung verbessert ist, ist die Menge an Gas, die jeder Stapelanordnung zugeführt wird, gleichmäßiger, und die Ausgangsleistung in jeder Stapelanordnung kann abgeglichen werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht zur Darstellung eines Aufbaus einer Einheitszelle, welche eine Basiseinheit einer Stapelanordnung ist.
  • 2A und 2B zeigen Draufsichten zur Darstellung eines Aufbaus eines Separators.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des äußeren Erscheinungsbildes einer Stapelanordnung.
  • 4A und 4B zeigen erläuternde Darstellungen zur Darstellung einer Gestalt einer Umkehrplatte.
  • 5 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines Aufbaus eines Separators.
  • 6 zeigt eine räumliche erläuternde Darstellung einer Strömung von Oxidationsgas in einer Stapelanordnung.
  • 7 und 8 zeigen ebene erläuternde schematische Darstellungen einer Strömung von Oxidationsgas in einer Stapelanordnung.
  • 9A und 9B zeigen erläuternde Diagramme zur Darstellung von Spannungsschwankungen in jeder Einheitszelle zum Zusammensetzen einer Brennstoffzelle.
  • 10A und 10B zeigen erläuternde Diagramme zur Darstellung des Zeitverlaufs von Veränderungen der Ausgangsspannung durch stufenweise Veränderungen der Menge eines Oxidationsgases (komprimierte Luft), das der Brennstoffzelle zugeführt wird.
  • 11 zeigt eine ebene erläuternde schematische Darstellung eines Aufbaus einer so abgewandelten Brennstoffzelle, daß die Gasströmung gleich bleiben kann, wenn sie durch eine Zuführungsverteilung für Oxidationsgas und eine entsprechende Abgassammelleitung für Oxidationsgas strömt.
  • 12A, 12B und 13 zeigen erläuternde Darstellungen zur Darstellung einer Gestalt einer Umkehrplatte.
  • 13 zeigt eine ebene erläuternde schematische Darstellung einer Strömung von Oxidationsgas in einer Stapelanordnung.
  • 14 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Separators.
  • 15 zeigt eine erläuternde Darstellung einer Gestalt einer Umkehrplatte.
  • 16 zeigt eine erläuternde Darstellung zur Darstellung eines Separators nach dem Stand der Technik.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erste bis dritte Ausführungsformen eines Separators und einer Brennstoffzelle beschrieben. Von diesen weisen die erste und die zweite Ausführungsform nicht alle von den Merkmalen der Erfindung auf. Die erste und die zweite Ausführungsform sind jedoch für das Verstehen der Erfindung nützlich.
  • Eine Brennstoffzelle in einer ersten Ausführungsform ist eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, welche in einer Stapelanordnung durch Schichten einer Vielzahl von Einheitszellen ausgebildet ist. 1 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht zur Darstellung eines Aufbaus einer Einheitszelle 20, welche eine Basiseinheit einer Stapelanordnung 15 zum Zusammensetzen einer Brennstoffzelle in der ersten Ausführungsform ist. 2 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines Separators 30, der in der Brennstoffzelle der Ausführungsform angeordnet ist, und 3 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des äußeren Erscheinungsbildes der Stapelanordnung 15.
  • Wie in 1 dargestellt ist, ist die Einheitszelle 20 aus einer Elektrolytmembran 31, einer Anode 32, einer Kathode und einem Separator 30 zusammengesetzt. Die Kathode ist in der Zeichnung nicht dargestellt, weil die Elektrolytmembran 31 zwischen die Kathode und die Anode 32 dazwischengesetzt ist (d. h., sie ist in der Zeichnung an der hinteren Fläche der Elektrolytmembran 31 ausgebildet).
  • Die Elektrolytmembran 31 ist hier ein festes Polymermaterial, z. B. ein protonenleitender Ionenaustauchfilm, der aus Fluorkunststoff ausgebildet ist, und zeigt eine gute elektrische Leitfähigkeit, wenn sie naß ist. In dieser Ausführungsform wird eine Nafion-Membran (du Pont) verwendet. Die Oberfläche der Elektrolytmembran 31 ist mit Platin oder einer Legierung aus Platin und einem anderen Metall als einem Katalysator beschichtet. Um den Katalysator aufzubringen, wurde Kohlepulver, das Platin oder eine Legierung von Platin und einem anderen Metall trägt, hergestellt, und dieses Kohlepulver, das den Katalysator trägt, wurde in einem geeigneten organischen Lösungsmittel dispergiert, und eine geeignete Menge an Elektrolytlösung (z. B. Nafion-Lösung, hergestellt durch Aldrich Chemical Co.) wurde hinzugefügt, um eine Paste auszubilden. Diese Paste wurde dann durch Siebdruck auf die Elektrolytmembran 31 aufgebracht. Alternativ ist es auch vorzuziehen, eine Paste, die Kohlepulver, das den Katalysator trägt, enthält, in einer Schicht auszubilden und diese Schicht auf die Elektrolytmembran 31 zu pressen.
  • Sowohl die Anode 32 als auch die Kathode sind aus Kohlenstoffgewebe durch Verweben von Kohlenstoffasern ausgebildet. In dieser Ausführungsform sind die Anode 32 und die Kathode aus Kohlenstoffgewebe ausgebildet, aber diese können auch unter Verwendung von Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffilz, der aus Kohlenstoffasern zusammengesetzt ist, ausgebildet sein.
  • Der Separator ist aus einem gasundurchlässigen, leitfähigen Element, z. B. aus Kohlenstoff von hoher Dichte, der durch Komprimieren gasundurchlässig gemacht wurde, ausgebildet. 2A und 2B zeigen Draufsichten des Separators 30 von beiden Seiten (von vorn und von hinten). Der Separator 30 hat nahe den Seiten zehn Löcher. D. h., nahe einer Außenseite des Separators 30 sind Löcher 40, 41, 42 benachbart entlang dieser Seite angeordnet, und nahe einer Außenseite entgegengesetzt zu dieser Seite sind Löcher 43, 44, 45 benachbart angeordnet. Nahe einer dritten Seite, die unterschiedlich zu diesen zwei Seiten ist, sind zwei benachbarte Löcher 50, 51 angeordnet, und nahe einer Außenseite entgegengesetzt zu dieser dritten Seite sind auf gleiche Weise benachbarte Löcher 52 und 53 angeordnet (vgl. 2A). Der Separator 30 hat ferner mit Nuten versehene Rippen, die parallel zu beiden Seiten angeordnet sind.
  • Hierbei sind an der einen Fläche des Separators 30 eine Rippe 55 zum Verbinden des Lochs 40 mit seinem gegenüberliegen den Loch 43, eine Rippe 56 zum Verbinden des Lochs 41 mit seinem gegenüberliegenden Loch 44 und eine Rippe 57 zum Verbinden des Lochs 42 mit seinem gegenüberliegenden Loch 45 angeordnet. An der anderen Fläche des Separators 30 sind eine Rippe 58 zum Verbinden des Lochs 50 mit seinem gegenüberliegenden Loch 52 und eine Rippe 59 zum Verbinden des Lochs 51 mit seinem gegenüberliegenden Loch 53 angeordnet. Diese Rippen sind zueinander parallele mit Nuten versehene Strukturen, wie vorstehend erwähnt wurde.
  • Wie in 1 dargestellt ist, ist der Separator 30 zusammen mit der Elektrolytmembran 31, der Anode 32 und der Kathode schichtweise aneinandergelegt, um die Einheitszelle 20 auszubilden, und ferner ist eine Stapelanordnung 15 ausgebildet, wobei die Rippen Gasdurchlässe zwischen den angrenzenden Gasdiffusionselektroden ausbilden. D. h., die Rippen 55 bis 57 stellen eine Verbindung für Fluids zwischen einander gegenüberliegenden Löchern der Löcher 40 bis 45 her, um zusammen mit der Oberfläche der angrenzenden Kathode innere Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle auszubilden, und die Rippen 58, 59 stellen eine Verbindung für Fluids zwischen zwei einander gegenüberliegenden Löchern der Löcher 50 bis 53 her, um zusammen mit der Oberfläche der angrenzenden Anode 32 innere Brennstoffgasdurchlässe der Einheitszelle auszubilden.
  • Wenn die Stapelanordnung 15 durch Schichten von Einheitszellen 20 zusammengebaut ist, bilden die Löcher 40, 44, 42 von jedem Separator 30 Zuführungsverteilungen 60, 61, 62 für Oxidationsgas aus, die durch das Innere der Stapelanordnung 15 in seiner Schichtungsrichtung dringen. Die Löcher 43, 41, 45 bilden auf ähnliche Weise Abgassammelleitungen 63, 64, 65 für Oxidationsgas aus, die durch das Innere der Stapelanordnung 15 in seiner Schichtungsrichtung dringen. Ferner bilden die Löcher 52, 51 auf ähnliche Weise Zuführungsverteilungen 66, 67 für Brennstoffgas aus, die durch das Innere der Stapelanordnung in seiner Schichtungsrichtung dringen, und die Löcher 50, 53 bilden jeweils Abgassammelleitungen 68, 69 für Brennstoffgas aus (siehe 2A). Die Gasströmung in diesen Gasdurchlässen, die in der Stapelanordnung 15 ausgebildet sind, ist nachstehend ausführlich beschrieben (siehe 6 und 7).
  • Wenn die Stapelanordnung 15 mit solchen Elementen zusammengebaut wird, werden der Separator 30, die Anode 32, die Elektrolytmembran 31, die Kathode und der Separator 30 in dieser Reihenfolge aneinandergefügt, und es wird eine Umkehrplatte 70 an dem einen Ende von einer bestimmten Anzahl von Einheitszellen 20, die geschichtet wurden, angeordnet. Ferner werden an beiden Enden Stromabnehmer 36, 37, Isolierplatten 38, 39 und Endplatten 80, 85 aufeinander folgend angeordnet, womit die in 3 dargestellte Stapelanordnung 15 vollendet ist.
  • So wie der Separator 30 ist auch die Umkehrplatte 70 aus Kohlenstoff mit hoher Dichte ausgebildet. 4 zeigt eine erläuternde Darstellung zur Darstellung der Gestalt der Umkehrplatte 70. 4A zeigt das äußere Erscheinungsbild der Platte, und 4B stellt den Schnitt 4B-4B in 4A dar. Wie in 4 dargestellt ist, hat die Umkehrplatte Vertiefungen 71, 72, 74 und Löcher 75, 76, 77, 78 nahe den Seiten, und wenn die Stapelanordnung 15 zusammengesetzt wird, wird die Umkehrplatte 70 so angeordnet, daß der angrenzende Separator 30 und die Fläche mit den Vertiefungen 71, 72, 74 miteinander in Berührung gelangen können. Der Schnitt der Vertiefung 71 ist in 4B dargestellt, und die anderen Vertiefungen 72, 74 haben einen ähnlichen Aufbau und sind Vertiefungen, die durch Einstechen in die Oberfläche der Umkehrplatte 70 hergestellt wurden. Die Löcher 75 bis 78 sind Löcher, die durch die Umkehrplatte 70 hindurchgehen.
  • Die Vertiefung 71 der Umkehrplatte 70 überlappt hier gegenüberliegend das Loch 43 und das Loch 44 des angrenzenden Separators 30, wenn die Stapelanordnung 15 zusammengesetzt ist, und stellt eine Verbindung zwischen dem Ende der Abgassammelleitung 63 für Oxidationsgas und dem Ende der Zufüh rungsverteilung 61 für Oxidationsgas her. Die Vertiefung 72 überlappt das Loch 41 und das Loch 42 des angrenzenden Separators 30, wenn die Stapelanordnung 15 zusammengesetzt ist, und stellt eine Verbindung zwischen dem Ende der Abgassammelleitung 64 für Oxidationsgas und dem Ende der Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas her. Auf ähnliche Weise überlappt die Vertiefung 74 das Loch 50 und das Loch 51 des angrenzenden Separators 30, wenn die Stapelanordnung 15 zusammengesetzt ist, und stellt eine Verbindung zwischen dem Ende der Abgassammelleitung 68 für Brennstoffgas und dem Ende der Zuführungsverteilung 67 für Brennstoffgas her.
  • Ferner überschneidet sich das Loch 75 mit dem Loch 40 des Separators 30, um ein Ende der Zuführungsverteilung 60 für Oxidationsgas zu öffnen, und das Loch 76 überschneidet sich mit dem Loch 45 des Separators 30, um ein Ende der Abgassammelleitung 65 für Oxidationsgas zu öffnen. Das Loch 77 überschneidet sich mit dem Loch 52 des Separators 30, um ein Ende der Zuführungsverteilung 66 für Brennstoffgas zu öffnen, und das Loch 78 überschneidet sich mit dem Loch 53 des Separators 30, um ein Ende der Abgassammelleitung 69 für Brennstoffgas zu öffnen. Die anderen Enden der Zuführungsverteilungen 60 bis 62 für Brennstoffgas, der Abgassammelleitungen 63 bis 65 für Oxidationsgas, der Zuführungsverteilungen 66, 67 für Brennstoffgas und der Abgassammelleitungen 68, 69 für Brennstoffgas sind durch den Stromabnehmer 37 verschlossen.
  • Die Stromabnehmer 36, 37 sind aus gasundurchlässigen, leitfähigen Elementen, wie z. B. Kohlenstoff mit hoher Dichte und Stahlplatten, ausgebildet, die Isolierplatten 38, 39 sind aus isolierenden Elementen, wie z. B. Gummi und Kunstharz, aufgebaut, und die Endplatten 80, 85 sind aus formfestem Stahl oder einem anderen Metall ausgebildet.
  • Die Stromabnehmer 36, 37 sind jeweils mit Ausgangsanschlüssen 36A, 37A versehen und sind ausgelegt, um eine elektromotorische Kraft zu liefern, die in der Brennstoffzelle, die aus der Stapelanordnung 15 zusammengesetzt wurde, erzeugt wird. Der Stromabnehmer 36, die Isolierplatte 38 und die Endplatte 80 haben jeweils vier Löcher, die in der Lage sind, Gasdurchlässe durch Überschneiden der Löcher 75 bis 78 an Stellen, die den Löchern 75 bis 78 der Umkehrplatte 70 entsprechen, auszubilden, wenn die Stapelanordnung 15 ausgebildet ist. Z. B. ist die Endplatte 80 mit Löchern 81 bis 84 versehen, welche jeweils einem von den Löchern 75 bis 78 entsprechen (vgl. 3).
  • Wenn die Brennstoffzelle, die von der Stapelanordnung 15 gebildet wird, in Betrieb ist, sind das Loch 83 der Endplatte 80 und eine Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, verbunden, und der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffreiches Brennstoffgas zugeführt. Auf ähnliche Weise sind das Loch 81 und eine Vorrichtung zum Zuführen von Oxidationsgas, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, verbunden, und es wird ein Oxidationsgas, das Sauerstoff enthält (Luft), der Brennstoffzelle zugeführt. Hierbei sind die Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas und die Vorrichtung zum Zuführen von Oxidationsgas Vorrichtungen zum Befeuchten und Komprimieren jedes Gases in einem bestimmten Ausmaß und zum Einleiten in die Brennstoffzelle. Ferner ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas mit dem Loch 84 verbunden, und eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung zum Zuführen von Oxidationsgas ist mit dem Loch 82 verbunden.
  • Die Schichtungsreihenfolge der Elemente ist wie vorstehend angeführt, wenn die Stapelanordnung 15 zusammengesetzt ist, und in dem Umfang der Elektrolytmembran 31 ist ein spezielles Dichtungselement in einem Bereich angeordnet, der sich in Berührung mit dem Separator 30 befindet. Dieses Dichtungselement dient dazu, ein Austreten von Brennstoffgas und Oxidationsgas aus jeder Einheitszelle zu verhindern und ein Vermischen von Brennstoffgas und Oxidationsgas in der Stapelanordnung 15 zu verhindern.
  • Die Stapelanordnung 15, die aus solchen Elementen zusammengesetzt ist, wird in einem Zustand gehalten, in dem eine bestimmte Preßkraft in ihrer Schichtungsrichtung ausgeübt wird, womit die Brennstoffzelle fertig gestellt ist. Die Anordnung zum Zusammendrücken der Stapelanordnung ist in der Zeichnung weggelassen. Um die Stapelanordnung 15 zu halten, während sie zusammengedrückt wird, kann die Stapelanordnung 15 unter Verwendung von Bolzen und Muttern zusammengehalten werden, oder es kann ein Aufnahmeelement für den Stapel in einer bestimmten Form angefertigt werden und die Stapelanordnung 15 kann von diesem Stapelaufnahmeelement umschlossen sein, und es können beide Enden des Stapelaufnahmeelements umgebogen sein, um eine Preßkraft auf die Stapelanordnung 15 auszuüben.
  • In der vorstehenden Erklärung sind der Separator 30 und die Umkehrplatte 70 aus gasundurchlässigem Kohlenstoff mit hoher Dichte ausgebildet, der durch Komprimieren von Kohlenstoff erhalten wurde, aber sie können auch aus anderen Materialien ausgebildet sein. Z. B. können sie aus gesintertem Kohlenstoff oder aus einem Metallelement ausgebildet sein. Wenn sie als Metallelement ausgebildet werden, ist es vorzuziehen, ein Metall mit ausreichender Korrosionsbeständigkeit auszuwählen. Oder die Oberfläche des Metallelements kann mit einem Material beschichtet sein, das eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweist.
  • Obwohl das in 2 nicht dargestellt ist, hat der Separator 30 in der Ausführungsform zusätzlich zu den Löchern 40 bis 45 zum Ausbilden von Gasverteilungen zum Durchleiten von Oxidationsgas und Löchern 50 bis 53 zum Ausbilden von Gasverteilungen zum Durchleiten von Brennstoffgas ein Loch zum Ausbilden einer Kühlwasserverteilung zum Durchleiten von Kühlwasser. In der elektrochemischen Reaktion, die in der Brennstoffzelle abläuft, wird die chemische Energie in dem der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas in elektrische Energie umgewandelt, aber diese Umwandlung ist nicht vollkommen, sondern die restliche Energie, die nicht in elektri sche Energie umgewandelt wurde, wird als Wärme freigesetzt. Daher erzeugt die Brennstoffzelle Wärme zusammen mit der Stromerzeugung. Folglich ist in der Regel in der Brennstoffzelle ein Durchlaß für Kühlwasser angeordnet, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in dem Sollbereich zu halten, und es wird in der Brennstoffzelle Kühlwasser in Umlauf gesetzt, um die überschüssige Wärme loszuwerden.
  • Wenn die Stapelanordnung 15 zusammengesetzt wird, durchdringt das Loch zum Ausbilden der Kühlungsverteilung, das in dem Separator 30 angeordnet ist, die Stapelanordnung 15 und führt in einem Kühlwasserdurchlaß zwischen den Einheitszellen Kühlwasser zu und gibt dieses ab, wie vorstehend angeführt wurde. In jeder bestimmten Anzahl von geschichteten Einheitszellen ist anstelle des üblichen Separators 30 ein Kühlwasserdurchlaßseparator (nicht dargestellt) zum Ausbilden einer gefurchten Anordnung, die als ein Kühlwasserdurchlaß an der Oberfläche dient, angeordnet. Die gefurchte Anordnung, die auf diesem Kühlwasserdurchlaßseparator ausgebildet ist, bildet einen Kühlwasserdurchlaß zwischen Einheitszellen zwischen dem Kühlwasserdurchlaßseparator und dem angrenzenden Element aus. Dieser Kühlwasserdurchlaß in dem Stapel, der in jeder bestimmten Anzahl von Einheitszellen angeordnet ist, erfährt Zufuhr und Abgabe von Kühlwasser aus der Kühlwasserverteilung, die in dem vorstehend erwähnten Loch ausgebildet ist, und dieses Kühlwasser entfernt überschüssige Wärme, die durch die Wärmeerzeugung erzeugt wurde, aus der Einheitszelle.
  • Nachstehend wird die Strömung des Brennstoffgases und des Oxidationsgases in der so ausgebildeten Brennstoffzelle beschrieben. Zuerst wird das Oxidationsgas erläutert. 6 zeigt eine räumliche erläuternde Darstellung zur Darstellung der Strömung von Oxidationsgas in der Stapelanordnung 15, und 7 zeigt eine ebene erläuternde Darstellung zur Darstellung der Strömung des gleichen Oxidationsgases. Wie vorstehend angeführt wurde, wird das Oxidationsgas (komprimierte Luft), das von der Vorrichtung zum Zuführen von Oxidati onsgas, die an die Öffnung 81 angeschlossen ist, die in der Endplatte 80 angeordnet ist, zugeführt wird, in die Zuführungsverteilung 60 für Oxidationsgas durch das Loch, das in der Position entsprechend der Isolierplatte 38 und dem Stromabnehmer 36 angeordnet ist, und das Loch 75, das in der Umkehrplatte 70 angeordnet ist, eingeleitet. Das Oxidationsgas, das in der Zuführungsverteilung 60 für Oxidationsgas strömt, wird in den Gasdurchlaß (innerer Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle), der zwischen der Rippe 55 in jedem Separator 30 und der angrenzenden Kathode in jeder Einheitszelle 20 ausgebildet ist, eingeleitet. Das eingeleitete Oxidationsgas wird für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt, aber das restliche Oxidationsgas, das in der Reaktion nicht verbraucht wurde, wird in die Abgassammelleitung 63 für Oxidationsgas abgegeben, die in dem Loch 43 ausgebildet ist, das in dem Separator 30 angeordnet ist. In der Abgassammelleitung 63 für Oxidationsgas wird es mit dem Oxidationsgas vereinigt, das aus dem inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle, der in jeder Einheitszelle angeordnet ist, abgegeben wird, während das Oxidationsgas in der umgekehrten Richtung in der Zuführungsverteilung 60 für Oxidationsgas strömt.
  • Ein derartiges Oxidationsgas wird durch die Vertiefung 71 hindurch in die Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas weitergeleitet, wenn es die Umkehrplatte 70 an dem Ende der Stapelanordnung 15 erreicht. Das Oxidationsgas, das in die Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas geleitet wurde, strömt durch die Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas, wird auf die einzelnen inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle verteilt, die zwischen der Rippe 56 von jedem Separator 30 und der angrenzenden Kathode ausgebildet sind, und wird für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt, während es durch die inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle strömt. Das Oxidationsgas, das so durch den Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle strömt, wird in die Abgassammelleitung 64 für Oxidationsgas abgegeben, wird vereinigt, während es in der Zuführungsverteilung 61 für Oxida tionsgas in der umgekehrten Richtung strömt, und erreicht wieder die Umkehrplatte 70.
  • In der Umkehrplatte 70 wird das Oxidationsgas in die Vertiefung 72 geleitet und wird in die Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas eingeleitet. In ähnlicher Weise strömt in der Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas das Oxidationsgas durch die Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas, wird auf jeden inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle, der zwischen der Rippe 57 in jedem Separator 30 und der angrenzenden Kathode ausgebildet ist, verteilt und wird für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt, während es durch den inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle strömt. Das Oxidationsgas, das so durch den inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle strömt, wird in die Abgassammelleitung 65 für Oxidationsgas abgegeben, wird vereinigt, strömt in der umgekehrten Richtung in der Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas und erreicht wieder die Umkehrplatte 70. Beim Erreichen der Umkehrplatte 70 wird das Oxidationsgas durch das Loch 76 in der Umkehrplatte 70, das Loch, das an der Position entsprechend dem Stromabnehmer 36 und der Isolierplatte 38 angeordnet ist, und das Loch 82, das in der Endplatte 80 angeordnet ist, hindurch in die mit der Öffnung 82 verbundene Vorrichtung zur Abgabe von Oxidationsgas abgegeben.
  • Bisher wurde die Strömung des Oxidationsgases in der Stapelanordnung 15 erklärt, und die Strömung des Brennstoffgases in der Stapelanordnung 15 ist ähnlich. 8 zeigt eine ebene erläuternde Darstellung zur Darstellung der Strömung des Brennstoffgases in der Stapelanordnung 15. Wie vorstehend ausgeführt wurde, wird das von der Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas, die mit der Öffnung 83 verbunden ist, die in der Endplatte 80 angeordnet ist, zugeführte Brennstoffgas in die Zuführungsverteilung 66 für Brennstoffgas durch das Loch, das in der Position entsprechend der Isolierplatte 38 und dem Stromabnehmer 36 angeordnet ist, und durch das Loch 77, das in der Umkehrplatte 70 angeordnet ist, hindurch eingeleitet. Das Brennstoffgas, das in der Zuführungsverteilung 66 für Brennstoffgas strömt, wird in den Gasdurchlaß (innerer Brennstoffgasdurchlaß der Einheitszelle), der zwischen der Rippe 58 in jedem Separator 30 und der angrenzenden Anode 32 in jeder Einheitszelle 20 ausgebildet ist, eingeleitet. Das eingeleitete Brennstoffgas wird für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt, aber das restliche Gas, das in der Reaktion nicht verbraucht wurde, wird durch das Loch 50 hindurch, das in dem Separator 30 angeordnet ist, in die Abgassammelleitung 68 für Brennstoffgas abgegeben. In der Abgassammelleitung 68 für Brennstoffgas wird das Brennstoffgas, während es in der umgekehrten Richtung in der Abgassammelleitung 68 für Brennstoffgas strömt, mit dem Brennstoffgas vereinigt, das aus dem inneren Brennstoffgasdurchlaß der Einheitszelle, der in jeder Einheitszelle ausgebildet ist, abgegeben wird.
  • Wenn ein derartiges Brennstoffgas die Umkehrplatte 70 an dem Ende der Stapelanordnung 15 erreicht, wird es durch die Vertiefung 74 hindurch in die Zuführungsverteilung 67 für Brennstoffgas weitergeleitet. Das in die Zuführungsverteilung 67 für Brennstoffgas geleitete Brennstoffgas strömt durch die Zuführungsverteilung 67 für Brennstoffgas und wird auf die einzelnen inneren Brennstoffgasdurchlässe der Einheitszelle, die zwischen der Rippe 59 von jedem Separator 30 und der benachbarten Anode 32 ausgebildet sind, verteilt und wird für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt, während es durch die inneren Brennstoffgasdurchlässe der Einheitszelle strömt. Das Brennstoffgas, das so durch den inneren Brennstoffgasdurchlaß der Einheitszelle strömt, wird in die Abgassammelleitung 69 für Brennstoffgas abgegeben und vereinigt, während es in der Zuführungsverteilung 67 für Brennstoffgas in der entgegengesetzten Richtung strömt, und erreicht wieder die Umkehrplatte 70. Beim Erreichen der Umkehrplatte 70 wird das Brennstoffgas durch das Loch 78 in der Umkehrplatte 70, das Loch, das an der Position entsprechend dem Stromabnehmer 36 und der Isolierplatte 38 angeordnet ist, und das Loch 84, das in der Endplatte 80 angeordnet ist, hindurch in die Vorrichtung zur Abgabe von Brennstoffgas, die mit der Öffnung 84 verbunden ist, abgegeben.
  • Nach der auf diese Weise aufgebauten Einheitszelle der Ausführungsform ist auf der Oberfläche von jedem Separator 30 der Bereich, der die Durchlässe für Oxidationsgas und Brennstoffgas ausbildet, jeweils in drei und zwei Abschnitte unterteilt, und entsprechend jedem von den unterteilten Bereichen sind die Zuführungsverteilung für Gas und die Abgassammelleitung für Gas unabhängig voneinander angeordnet, und daher ist, wenn die Gasströmungsmenge, die in der gesamten Brennstoffzelle zugeführt wird, die gleiche ist, im Vergleich zu dem Aufbau, in dem der Bereich zum Ausbilden der Durchlässe nicht unterteilt ist, die Gasströmungsmenge pro Einheit der Querschnittsfläche in dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle erhöht, und die Geschwindigkeit der Gasströmung kann gesteigert werden. Wenn z. B. in dem Separator 30 die Rippen 55, 56, 57 den Bereich, auf dem die inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle ausgebildet werden können, jeweils in drei gleiche Abschnitte aufteilen, ist die Strömungsmenge des Oxidationsgases, das durch den inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle fließt, dreimal so hoch, wenn die Strömungsmenge des von der Vorrichtung zum Zuführen von Oxidationsgas der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgases und der Gesamtbereich zum Ausbilden der Rippen auf der Separatorfläche im Vergleich mit dem in 16 dargestellten Fall, in welchem ein Separator 130 nach dem Stand der Technikverwendet wird, die gleichen sind.
  • Daher wird durch Unterteilen des Gasdurchlässe ausbildenden Bereichs das Gas in heftige Bewegung versetzt und verbreitet sich ausreichend in dem Gasdurchlaß. Demzufolge ist die Berührung zwischen dem in der Elektrode angeordneten Katalysator und dem elektrodenaktiven Stoff verbessert, und der elektrodenaktive Stoff in dem Gas wird gleichmäßig in einer chemischen Reaktion ausgenutzt, so daß der Gasausnutzungsgrad angehoben werden kann. Da der Gasausnutzungsgrad angehoben ist, kann die elektrochemische Reaktion genügend ge fördert werden, wenn das Gesamtvolumen von der Brennstoffzelle aus der Zuführungsvorrichtung für Brennstoffgas oder der Zuführungsvorrichtung für Oxidationsgas zugeführtem Gas verringert wird. Daher wird, was das Brennstoffgas betrifft, der Verbrauch an Brennstoff verringert. Das ist besonders wirksam, wenn als Brennstoffgas reformiertes Gas verwendet wird, das durch Dampfreformieren von Kohlenwasserstoff erhalten wurde. Das reformierte Gas enthält neben Wasserstoff viele Komponenten, die nicht zu der elektrochemischen Reaktion beitragen. Deshalb ist es erforderlich, um im Vergleich mit dem Fall der Verwendung von Wasserstoffgas als Brenngas die elektrochemische Reaktion genügend zu fördern, eine größere Menge an reformiertem Gas als Brennstoffgas zuzuführen. Wenn jedoch der Gasausnutzungsgrad durch die Anordnung der Ausführungsform verbessert ist, kann beim Brennstoffverbrauch gespart werden, indem die Menge von der Brennstoffzelle zugeführtem reformierten Gas verringert wird.
  • Ferner wird hinsichtlich des Oxidationsgases, da die Gesamtmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases verringert werden kann, wenn der Brennstoffzelle Oxidationsgas zugeführt wird, die Menge an Energie, die für das Komprimieren des Oxidationsgases verbraucht wird, verringert, und der energetische Wirkungsgrad des Gesamtsystems mit der Brennstoffzelle kann auf einem hohen Stand gehalten werden. In dem Aufbau des vorstehend erwähnten Stands der Technik mit dem serpentinenförmigen Aufbau der Gestalt des Gasdurchlasses, der in der Separatoroberfläche ausgebildet ist, ist es erforderlich, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu erhöhen, das durch den inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle strömt, die Gestalt des inneren Gasdurchlasses der Einheitszelle zu winden. Dementsprechend ist der Druckverlust groß, wenn das Gas durch den Gasdurchlaß strömt, und obwohl die Gesamtmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases nicht erhöht ist, ist die Menge an Energie, die für das stärkere Komprimieren des der Brennstoffzelle zugeführten Gases verbraucht wird, erhöht. Im Gegensatz dazu ist es in der Anordnung der Ausführungsform nicht nötig, den inneren Gasdurch laß der Einheitszelle zu winden, und es besteht nicht ein solches Problem wie das Ansteigen von Druckverlust.
  • Durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den Gasdurchlaß gelangt, kann die Wasserabgabeleistung in der Brennstoffzelle verbessert werden. Nachstehend wird die Frage von Wasserbildung in der Brennstoffzelle behandelt. Wenn in der Brennstoffzelle die elektrochemische Reaktion unter Zufuhr von Brennstoffgas, das Wasserstoff enthält, und von Oxidationsgas, das Sauerstoff enthält, abläuft, wird Wasser gebildet. Die elektrochemische Reaktion, die in der Brennstoffzelle abläuft, ist in den nachstehenden Formeln dargestellt. H2O → 2H+ + 2e- (1) 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O (2) H2 + 1/2 O2 → H2O (3)
  • Formel (1) stellt die Reaktion dar, die auf der Anodenseite abläuft, Formel (2) betrifft die Reaktion auf der Kathodenseite, und insgesamt läuft die Reaktion ab, die in Formel (3) ausgedrückt ist. Wie in Formel (2) gezeigt ist, wird zusammen mit dem Fortschreiten der elektrochemischen Reaktion Wasser auf der Kathodenseite gebildet, aber dieses Wasser wird gewöhnlich in dem Oxidationsgas verdampft und wird zusammen mit dem Oxidationsgas abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt kann dieses, wenn zu viel Wasser gebildet wird, nicht genügend verdampft werden, sondern verbleibt in der Gasdiffusionselektrode, und kann die Gasdiffusion in der Nähe des Katalysators auf der Elektrolytmembran erschweren. In der Brennstoffzelle mit dem Separator 30 der Ausführungsform wird das an der Kathodenoberfläche gebildete Wasser in das Oxidationsgas hinein wirksam verdampft und abgegeben, da die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, das durch den inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle strömt, wie vorstehend ausgeführt erhöht ist, wodurch verhindert wird, daß das gebildete Wasser in der Brennstoffzelle verbleibt, um die Gasdiffusion zu erschweren.
  • Ferner ist durch Verringern der Gesamtmenge an Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, das Ausmaß an Befeuchten des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert. Wie vorstehend angegeben wurde, wird das an der Kathodenoberfläche gebildete Wasser in das Oxidationsgas hinein verdampft. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Teil der Feuchtigkeit, die durch die Elektrolytmembran festgehalten wird, in das Oxidationsgas hinein verdampft und zur Außenseite der Brennstoffzelle abgegeben. Damit die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle genügend voranschreitet, wird der Brennstoffzelle normalerweise ein Oxidationsgas zugeführt, das mehr als die theoretisch erforderliche Sauerstoffmenge enthält, aber wenn die Menge an Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, ansteigt, erhöht sich die Feuchtigkeit, die aus der Brennstoffzelle durch das Oxidationsgas ausgetragen wird, und bisher wurde ein Austrocknen der Elektrolytmembran durch vorheriges Befeuchten des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verhindert. Im Gegensatz dazu wird in der Brennstoffzelle mit dem Separator 30 der Ausführungsform, da die Gesamtmenge an Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert werden kann und die Feuchtigkeit, die aus der Brennstoffzelle durch das Oxidationsgas ausgetragen wird, verringert ist, das Ausmaß an Befeuchtung des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert. Übrigens kann durch Verringern des Ausmaßes an Befeuchtung Energie, die für das Befeuchten erforderlich ist, eingespart werden. Die Feuchtigkeit, die durch das Oxidationsgas aus der Elektrolytmembran entfernt wird, verändert sich mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle oder dem Druck oder der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, aber wenn die Elektrolytmembran in einem genügend feuchten Zustand ohne Befeuchten der Brennstoffzelle gehalten wird, ist die Anordnung zum Befeuchten des Oxidationsgases nicht erforderlich. Auf der Anodenseite verlagert sich das Proton, das in der Reaktion von Formel (1) gebildet wird, in die Elektrolytmembran in einem mit Wassermolekülen hydratisierten Zustand, und daher ist es nötig, wenn Wasserstoffgas als Brennstoffgas verwendet wird, dieses vor dem Einleiten in die Brennstoffzelle zu befeuchten, aber nach der Ausführungsform kann am Ausmaß der Befeuchtung gespart werden, da die Brennstoffgasmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert ist.
  • Hierbei kann durch Verringern der Gesamtmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases und Einsparen von Feuchtigkeit, die aus der Elektrolytmembran durch das Gas entfernt wird, die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle höher eingestellt werden. D. h., selbst bei hoher Temperatur von hohem Sättigungsdampfdruck kann die Brennstoffzelle betrieben werden, ohne daß die Elektrolytmembran zu sehr austrocknet. Ferner kann durch Einstellen einer höheren Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die elektrochemische Reaktion weiter aktiviert werden. Schließlich kann durch Einstellen einer höheren Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, insbesondere, wenn reformiertes Gas als Brennstoffgas verwendet wird, eine Vergiftung des Katalysators auf der Elektrolytmembran durch Kohlenmonoxid in dem reformierten Gas unterdrückt werden, und die Zellenleistung kann weiter gesteigert werden. Wenn wasserstoffreiches reformiertes Gas durch Dampfreformieren von Kohlenwasserstoff erzeugt wird, können Spuren von Kohlenmonoxid erzeugt werden. Derartiges Kohlenmonoxid wird an dem Katalysator auf der Elektrolytmembran adsorbiert und kann die Katalysatorleistung erniedrigen. Der Grad von Vergiftung durch Kohlenmonoxid hängt von der Temperatur ab, und der Vergiftungseffekt kann durch Einstellen einer höheren Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zurückgedrängt werden.
  • In der Brennstoffzelle mit dem Separator 30 der Ausführungsform ist in einer beliebigen Einheitszelle 20 der Bereich für das Zuführen von Oxidationsgas oder Brennstoffgas (der Bereich, in dem der innere Gasdurchlaß der Einheitszelle ausgebildet ist) unterteilt, und die Zuführungsverteilung für Gas und die Abgassammelleitung sind unabhängig voneinander in jedem unterteilten Bereich angeordnet, und daher wird, wenn erzeugtes Wasser an der Verbindungsstelle einer bestimmten Verteilung mit einem bestimmten inneren Durchlaß der Einheitszelle verbleibt, die Zufuhr von Gas zu dieser Einheitszelle nicht vollkommen versperrt, und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung in der Gesamtheit der Einheitszellen ist nicht erniedrigt. Wie vorstehend ausgeführt wurde, wird auf der Kathodenseite Wasser erzeugt, wenn die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle abläuft, und es wird Wasser in das Oxidationsgas hinein verdampft und abgegeben, aber in dem Bereich eines Zustands mit einer relativ niedrigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle, wenn mehr Dampf existiert als die Dampfmenge, die dem Sättigungsdampfdruck entspricht, kann das gebildete Wasser kondensieren. Im Fall einer solchen Kondensation des gebildeten Wassers wird die Zufuhr von Gas zu diesem inneren Durchlaß der Einheitszelle versperrt, wenn das Kondensat in der Verbindungsstelle der Verteilung mit dem inneren Durchlaß der Einheitszelle verbleibt. Wie in dem in 16 dargestellten Separator 130, wenn die Verteilung für das Zuführen von Gas zu dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle, der auf dem Separator ausgebildet ist, nur an einer Stelle verfügbar ist, ist die Zufuhr von Gas zu der Einheitszelle, die dieser Verbindungsstelle entspricht, vollkommen versperrt, wenn die Verbindungsstelle durch das gebildete Wasser verschlossen ist. Im Gegensatz dazu sind in der Brennstoffzelle mit dem Separator 30 der Ausführungsform drei Verteilungen unabhängig voneinander angeordnet, um dem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle, der auf dem Separator ausgebildet ist, Oxidationsgas zuzuführen. Da die Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Verschließens von allen drei Verteilungen sehr gering ist, ist es möglich, ein vollkommenes Aufhören der Zufuhr von Oxidationsgas durch das erzeugte Wasser zu irgendeiner Einheitszelle, welche die Stapelanordnung hat, zu verhindern.
  • Ferner ist die Menge an Gas, die den einzelnen Einheitszellen 20, aus denen die Stapelanordnung zusammengesetzt ist, zugeführt wird, in der gesamten Brennstoffzelle ausgeglichen, da der Bereich, der die inneren Gasdurchlässe der Ein heitszelle ausbildet, unterteilt ist. Gewöhnlich ist die Menge an Gas, das aus den Zuführungsverteilungen für die Gase auf die einzelnen inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle verteilt wird, in jeder Einheitszelle unterschiedlich. Ferner schwankt die Verteilung der Gasströmungsmenge in den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle in jeder Einheitszelle. D. h., in der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des in 16 dargestellten Separators 130 zusammengesetzt ist, ist die Gasströmungsmenge in den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle kaum gleich, da das Gas auf einmal einem breiten Bereich zugeführt wird. Insbesondere werden häufig an beiden Enden der Rippen 155 (den Rippen nahe der rechten Endfläche (Seite des Lochs 150) in der Zeichnung und nahe der linken Endfläche (Seite des Lochs 152) in der Zeichnung) Bereiche mit niedriger Strömungsmenge ausgebildet. Daher wurde gewöhnlich, da die Gasströmungsmenge innerhalb des Gasdurchlasses der Einheitszelle oder jedem der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle schwankt, um die elektrochemische Reaktion auch in dem Bereich, der den Durchlässen mit niedriger Gasströmungsmenge entspricht, genügend zu fördern, die Menge an Gas, das der gesamten Brennstoffzelle zugeführt wird, auf eine übermäßige Menge festgesetzt, um die Menge an Gas, das den einzelnen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle zugeführt wird, ausreichend zu halten.
  • In der Einheitszelle der Ausführungsform können die Schwankungseffekte der Gasströmungsmenge in der Gesamtheit der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle, die an einer bestimmten Fläche ausgebildet sind, verringert werden, da der Bereich für die Ausbildung der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle unterteilt ist, obwohl die Gasströmungsmenge in den einzelnen unterteilten Bereichen (in den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die durch mehrere Rippen auf der gleichen Fläche des Separators 30 ausgebildet sind, z. B. 55, 56, 57 in 2A) schwankt. D. h., Schwankungen der Gasströmungsmenge in den einzelnen unterteilten Bereichen treten unabhängig voneinander auf, und Gas wird den einzelnen Bereichen unabhängig voneinander zugeführt, und daher ist es kaum möglich, daß die Gasströmungsmenge im Vergleich zu anderen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle in allen von den einzelnen unterteilten Bereichen niedrig ist. D. h., die Gefahr einer sehr niedrigen Gasströmungsmenge in einem inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle in einer bestimmten Einheitszelle ist sehr gering. Daher können in den einzelnen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle die Bereiche, in denen die Gasströmungsmenge vermindert ist, weiter verringert werden. Folglich ist es nicht nötig, der Einheitszelle übermäßig viel Gas zuzuführen, um die elektrochemische Reaktion in den Bereichen zu fördern, in denen die Gasströmungsmenge durch die Schwankungen der Gasströmungsmenge vermindert ist, da die Schwankungen der Strömungsmenge des durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle strömenden Gases verringert sind und eine ausreichende Gasströmungsmenge aufrechterhalten wird, wodurch der Gasverbrauch verringert ist, und es kann Energie, die für das Einleiten des Gases in die Brennstoffzelle aufgewendet wird, gespart werden.
  • Der elektrodenaktive Stoff, der in dem der Einheitszelle zugeführten Gas enthalten ist, wird im Verlauf des Strömens durch die Brennstoffzelle in der elektrochemischen Reaktion verbraucht und in seiner Konzentration allmählich verringert, aber in der Brennstoffzelle der Ausführungsform sind die Gasdurchlässe mit den unterteilten inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle aufeinander folgend verbunden, so daß Gas mit niedriger Konzentration an elektrodenaktivem Stoff nicht einer bestimmten Einheitszelle allein zugeführt wird. Hier kann anstelle des Unterteilens des Bereichs für die Ausbildung der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle die Stapelanordnung zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle in eine Vielzahl von Einheiten unterteilt werden, und die aufgeteilten Stapelanordnungen können in Reihe geschaltet werden, so daß die Menge an Gas, das durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle bei gleichbleibender Gasmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, strömt, erhöht werden kann. In diesem Fall kann sich jedoch der Stromerzeu gungswirkungsgrad in den einzelnen aufgeteilten Einheitszellen unterscheiden. D. h., es wird, wenn anstelle des Ausbildens der Stapelanordnung durch Schichten von 100 Einheitszellen zwei Stapelanordnungen, in welchen jeweils 50 Einheitszellen geschichtet sind, in Reihe geschaltet sind, eine bestimmte Menge an der Brennstoffzelle zugeführtem Gas anstelle von 100 auf 50 Einheitszellen aufgeteilt und den einzelnen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle zugeführt, und dadurch kann folglich die Gasströmungsmenge erhöht und der Gasausnutzungsgrad angehoben werden. In der strömungsabwärts nach außen hin gelegenen Stapelanordnung ist jedoch die Konzentration des elektrodenaktiven Stoffs in dem zugeführten Gas im Vergleich zu der strömungsaufwärts gelegenen Seite geringer, und die Gesamtgasmenge ist geringer, und daher ist die Spannung in der strömungsabwärts nach außen hin gelegenen Stapelanordnung im Vergleich zu der strömungsaufwärts gelegenen Seite niedriger, und daher kann die Leistung schwanken. Es ist schwierig, die Schwankung in der Leistung zwischen der strömungsaufwärts gelegenen Stapelanordnung und der strömungsabwärts gelegenen Stapelanordnung zu verbessern, wenn die Anzahl der Einheitszellen der strömungsaufwärts gelegenen Stapelanordnung im Vergleich zu der strömungsabwärts gelegenen Seite erhöht wird. In der Brennstoffzelle der Ausführungsform wird einer bestimmten Einheitszelle Gas mit einer niedrigen Konzentration an elektrodenaktivem Stoff nicht zugeführt, oder die Gasströmungsmenge ist in einer bestimmten Einheitszelle nicht verringert, und daher ist die Zellenleistung nicht teilweise verringert und verändert.
  • In den nachstehenden Beispielen sind die Wirkungen tatsächlich nachgewiesen worden, die durch den Aufbau der Brennstoffzelle in dieser Ausführungsform erhalten wurden, in welchem der Bereich zum Ausbilden der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle in eine Vielzahl von Bereichen in jeder Einheitszelle unterteilt ist und Gasverteilungen unabhängig voneinander angeordnet sind, um jedem Bereich Gas zuzuführen.
  • 9A und 9B zeigen erläuternde Diagramme zur Darstellung von Spannungsschwankungen in einzelnen Einheitszellen zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle, in welcher die Abgabestromdichte aus der Brennstoffzelle konstant ist. 9A zeigt Spannungsschwankungen in der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des Separators 30 der Ausführungsform zusammengesetzt ist, und 9B zeigt Spannungsschwankungen in der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des in 16 dargestellten Separators 130 zusammengesetzt ist. In dem Diagramm ist die linke Fläche (Einlaßseite) die Verbindungsfläche mit der Gaszuführungsvorrichtung, und die Einheitszellenspannungen sind aufeinanderfolgend in Richtung der rechten Seite entlang der Richtung der Schichtung der Einheitszellen dargestellt.
  • Wie in 9A gezeigt ist, wird nach der Brennstoffzelle, bei der der Separator 30 der Ausführungsform verwendet wird, eine gleichbleibende Spannung in jeder Einheitszelle in der gesamten Brennstoffzelle erhalten. 9A zeigt das Ergebnis des Betriebs der Brennstoffzelle bei 75 °C, und 9B zeigt das Ergebnis des Betriebs der Brennstoffzelle bei 67 °C. Somit ist in der Brennstoffzelle, in welcher der Separator 30 der Ausführungsform verwendet wird, die Zellenleistung nicht durch das Austrocknen der Elektrolytmembran erniedrigt, wenn die Betriebstemperatur erhöht ist.
  • 10A und 10B zeigen zeitabhängige Veränderungen der Ausgangsspannung in jeder Einheitszelle zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle durch Verändern der Menge an Oxidationsgas (komprimierter Luft), das der Brennstoffzelle, in welcher die Abgabestromdichte aus der Brennstoffzelle konstant ist, zugeführt wird. 10A zeigt Spannungsveränderungen in der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des Separators 30 der Ausführungsform zusammengesetzt ist, und 10B zeigt Spannungsveränderungen in der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des in 16 dargestellten Separators 130 zusammengesetzt ist. Zu Beginn der Messung wurde der Brennstoffzelle Luft zugeführt, die eine doppelte Menge an Sauer stoff der theoretisch erforderlichen Sauerstoffmenge (in dem Diagramm durch S:2 dargestellt) enthält, nach einer bestimmten Zeit wurde die Sauerstoffmenge in dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas auf das 1,5-fache des theoretischen Werts (S:1.5) verringert, und nach einer weiteren bestimmten Zeit wurde die der Brennstoffzelle zugeführte Sauerstoffmenge auf das 1,25-fache des theoretischen Werts verringert.
  • Wie in 10A gezeigt ist, blieb bei der Brennstoffzelle, in welcher der Separator der Ausführungsform verwendet wird, die Ausgangsspannung von jeder von den Einheitszellen, aus welchen die Brennstoffzelle zusammengesetzt ist, unverändert, selbst wenn die Sauerstoffmenge in dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas von dem 2-fachen des theoretisch erforderlichen Werts auf das 1,25-fache verändert wurde. Im Gegensatz dazu schwankten in der Brennstoffzelle, in welcher der in 16 dargestellte Separator 130 verwendet wird, die Ausgangsspannungen der Einheitszellen, aus welchen die Brennstoffzelle zusammengesetzt ist, beträchtlich, wenn die Sauerstoffmenge in dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas das Doppelte der theoretisch erforderlichen Menge ist, und wenn die Sauerstoffmenge auf das 1,5-fache der theoretischen Menge verringert wurde, brach die Spannung durch das Austrocknen der Elektrolytmembran plötzlich zusammen, und die Stromerzeugung konnte nicht fortgesetzt werden.
  • Somit ist es durch Zusammensetzen der Brennstoffzelle unter Verwendung des Separators 30 der Ausführungsform möglich, die Sauerstoffmenge in dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas wesentlich herabzusetzen, d. h., die Menge an Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird. In der Brennstoffzelle 130, die den in 16 dargestellten Separator verwendet, muß die Sauerstoffmenge in dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas auf das Vier- bis Fünffache der theoretisch erforderlichen Sauerstoffmenge erhöht werden, um die Ausgangsspannung in den Einheitszellen, aus denen die Brennstoffzelle zusammengesetzt ist, konstant zu halten. 10A zeigt das Ergebnis eines Betriebs der Brennstoffzelle mit dem Separator 30 bei 75 °C, und 10B zeigt das Ergebnis eines Betriebs der Brennstoffzelle mit dem Separator 130 bei 67 °C. Somit wird in der Brennstoffzelle, welche den Separator 30 der Ausführungsform verwendet, eine konstante Ausgangsspannung von den Einheitszellen erhalten, wenn die Betriebstemperatur höhergesetzt wird und die Sauerstoffmenge in dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas, d. h., die Strömumgsmenge des Oxidationsgases, verringert wird.
  • In dem Separator 30 ist in einer beliebigen Einheitszelle 20 der Bereich zum Ausbilden des inneren Oxidationsgasdurchlasses der Einheitszelle in drei Abschnitte unterteilt, und der Bereich zum Ausbilden des inneren Brennstoffgasdurchlasses der Einheitszelle ist in zwei Abschnitte unterteilt, aber das ist nicht darauf beschränkt, die Bereiche können in eine unterschiedliche Zahl von Abschnitten unterteilt werden. Der Bereich zum Ausbilden des inneren Gasdurchlasses der Einheitszelle kann in mehrere Abschnitte unterteilt sein, und Verteilungen zum Zuführen und Abgeben von Gas können einzeln in den unterschiedlichen Bereichen angeordnet sein. Durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle strömt, kann der elektrodenaktive Stoff in dem Gas den Katalysator auf der Elektrolytmembran leicht erreichen, so daß die gleichen Effekte erhalten werden können. Durch Erhöhen der Zahl von Unterteilungen des Bereichs zum Ausbilden des inneren Durchlasses der Einheitszelle kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den inneren Durchlaß der Einheitszelle strömt, erhöht werden, aber wenn die Zahl von Unterteilungen erhöht wird, wächst der Druckverlust an, wenn das Gas durch den Durchlaß strömt. Wenn sich der Druckverlust erhöht, wenn das Gas durch den Durchlaß strömt, ist es erforderlich, um eine bestimmte Menge an der Brennstoffzelle zugeführtem Gas beizubehalten, die Menge an Energie zu erhöhen, die zum Komprimieren des Gases verbraucht wird, das der Brennstoffzelle zugeführt wird. Daher ist es unter Berücksichtigung des durch Erhöhen der Zahl der Unterteilungen des Bereichs zum Ausbilden der inneren Durchlässe der Einheitszelle bewirkten Effekts und des Anstiegs der Energiemenge, die für das Gas verbraucht wird, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, wünschenswert, die Zahl der Unterteilungen so festzusetzen, daß der Gesamtenergiewirkungsgrad nicht erniedrigt wird. In 1 und 2 ist der Bereich zum Ausbilden des inneren Durchlasses der Einheitszelle zu gleichen Teilen in zwei oder drei Abschnitte unterteilt, aber er kann auch in unterschiedliche Flächen aufgeteilt werden.
  • In dem Separator 30 sind die Rippen 55 bis 59 parallel ausgebildete Nuten, aber sie können auch in anderen Formen ausgebildet sein. Z. B. stellt 5 eine Anordnung auf einer Fläche eines Separators 30A dar, welcher ein abgewandeltes Beispiel des Separators 30 ist. Hierbei hat der Separator 30A einen Aufbau, der mit Ausnahme der Form des Aufbaus, der den Rippen 55 bis 57 entspricht, gleich dem Aufbau des Separators 30 ist, und gemeinsame Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Separator 30A ist mit genoppten Teilen 55A, 56A, 57A als Struktur zum Verbinden der einander gegenüberliegenden Löcher versehen. In diesen genoppten Teilen 55A bis 57A sind konvexe Bauelemente von quadratischem Querschnitt in der Längs- und Querrichtung auf konkaven Teilen, die durch Verbinden der einander gegenüberliegenden Löcher ausgebildet sind, angeordnet. Wenn die Stapelanordnung ausgebildet wird, können als genoppte Strukturen zum Verbinden von einander gegenüberliegenden Löchern innere Gasdurchlässe der Einheitszelle zum Ermöglichen, daß Gas aus bestimmten Löchern zu den gegenüberliegenden Löchern gelangt, mit angrenzenden Gasdiffusionsschichten ausgebildet werden.
  • Wie in 6 bis 8 dargestellt ist, sind in der Ausführungsform die Richtungen der im Innern durchgehenden Gasströmungen zwischen einer bestimmten Gaszuführungsverteilung für Oxidations(Brennstoff)-Gas und der entsprechenden Abgassammelleitung für Oxidations(Brennstoff)-Gas einander entge gengesetzt, aber die Strömungsrichtung kann so ausgelegt sein, daß sie in allen Verteilungen gleich ist. Ein solcher Aufbau ist nachstehend dargestellt. 11 zeigt eine erläuternde ebene Darstellung zur Darstellung der Strömung von Oxidationsgas, wenn unter Verwendung des Separators 30 eine abgewandelte Stapelanordnung 115 so ausgebildet ist, daß die Richtungen der im Innern durchgehenden Gasströmungen in der Zuführungsverteilung für Oxidations(Brennstoff)-Gas und der entsprechenden Abgassammelleitung für Oxidations(Brennstoff)-Gas identisch sind.
  • Die Stapelanordnung 115 ist mit Ausnahme der Umkehrplatte gleich der Stapelanordnung 15 in der ersten Ausführungsform, gemeinsame Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine ausführliche Beschreibung ist weggelassen. In der Stapelanordnung 115 sind eine Umkehrplatte 90 an dem einen Ende und eine Umkehrplatte 95 an dem anderen Ende angeordnet. In 12A und 12B sind Draufsichten dieser Umkehrplatten 90, 95 dargestellt. 12A stellt die Umkehrplatte 90 dar, und 12B stellt die Umkehrplatte 95 dar.
  • Das Oxidationsgas, das aus der Zuführungsvorrichtung für Oxidationsgas, die außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet ist, zugeführt wird, wird der Stapelanordnung 115 durch ein Loch 75 hindurch, das in der Umkehrplatte 90 angeordnet ist, zugeführt. Dieses Oxidationsgas gelangt durch eine Zuführungsverteilung 60 für Oxidationsgas, die durch das Loch 40 in dem Separator 30 ausgebildet ist, hindurch und wird auf die einzelnen inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle, die durch die Rippen 55 des Separators 30 ausgebildet sind, verteilt. Das von den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle abgegebene Oxidationsgas wird in einer Abgassammelleitung 63 für Oxidationsgas, die durch das Loch 43 ausgebildet wird, vereinigt, strömt dann in der gleichen Richtung wie die der Strömung in der Zuführungsverteilung 60 und erreicht die Umkehrplatte 95.
  • Die Umkehrplatte 95 hat eine Vertiefung 171 zum Verbinden des Endes der Abgassammelleitung 63 für Oxidationsgas und des Endes der Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas, die durch das Loch 44 ausgebildet wird, und dann wird das Oxidationsgas der Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas zugeführt. Dieses Oxidationsgas gelangt durch die Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas zu der Umkehrplatte 90 und wird auf die einzelnen inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle, die durch die Rippen 56 von jedem Separator 30 ausgebildet sind, verteilt. Das von den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle abgegebene Oxidationsgas wird in einer Abgassammelleitung 64 für Oxidationsgas, die durch das Loch 41 ausgebildet ist, vereinigt und strömt in der gleichen Richtung wie die der Strömung in der Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas und erreicht die Umkehrplatte 90.
  • Die Umkehrplatte 90 hat eine Vertiefung 72 zum Verbinden des Endes der Abgassammelleitung 64 für Oxidationsgas und des Endes der Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas, die durch das Loch 42 ausgebildet ist, und das Oxidationsgas wird der Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas zugeführt. Dieses Oxidationsgas strömt durch die Zuführungsverteilung 62 für Oxidationsgas zu der Umkehrplatte 95 und wird auf die einzelnen inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle verteilt, die durch die Rippen 57 von jedem Separator 30 ausgebildet sind. Das von den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle abgegebene Oxidationsgas wird in einer Abgassammelleitung 65 für Oxidationsgas, die durch das Loch 45 ausgebildet ist, vereinigt und erreicht die Umkehrplatte 95. In der Umkehrplatte 95 ist an der Stelle, die dem Loch 45 des Separators 30 entspricht, ein Loch 176 angeordnet, um die Verbindung zu einer Abgabeseite für Oxidationsgas nach außen herzustellen, und das Oxidationsgas wird aus diesem Loch 176 abgegeben.
  • Auf diese Weise werden die gleichen Wirkungen wie in der ersten Ausführungsform erhalten, wenn die Richtung der Gas strömung so angelegt ist, daß sie in der Zuführungsverteilung für Oxidationsgas und in der entsprechenden Abgassammelleitung für Oxidationsgas die gleiche ist.
  • In der ersten Ausführungsform sind die Gaszuführungsverteilung und die Abgassammelleitung durch die Löcher des Separaturs von einem Ende zum andern Ende der Stapelanordnung entlang der Schichtungsrichtung durchgehend ausgebildet, und in solchen Verteilungen kann durch Ausbilden von Abschirmungsteilen unterwegs die Strömungsrichtung des Gases in den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle verändert werden. Ein solcher Aufbau wird nachstehend als eine zweite Ausführungsform beschrieben.
  • 13 zeigt eine ebene erläuternde schematische Darstellung zur Darstellung der Strömung von Oxidationsgas in der Stapelanordnung 315 zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform. Die Stapelanordnung 315 zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform ist der Stapelanordnung 115 ähnlich, und es sind gemeinsame Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei eine ausführliche Beschreibung weggelassen ist. Die Stapelanordnung 315 der zweiten Ausführungsform ist mit Ausnahme der Abschirmteile, die unterwegs in der Zuführungsverteilung für Oxidationsgas und der Abgassammelleitung für Oxidationsgas angeordnet sind, durch Schichten der Separatoren 30 so wie in der vorstehenden Ausführungsform zusammengesetzt. D. h., in bestimmten Separatoren 30 zum Zusammensetzen der Stapelanordnung 315 sind bestimmte Löcher von den Löchern 40 bis 45 verschlossen, wodurch die Gasströmung daran gehindert wird, durch die Verteilungen hindurchzuströmen.
  • Wie in 13 dargestellt ist, bilden die Löcher 40 bis 45 des Separaturs 30 jeweils Verteilungen 360, 363, 361, 364, 362 und 365 in der Stapelanordnung 315 aus. Wie vorstehend erwähnt wurde, sind in bestimmten Separatoren 30 zum Zusammensetzen der Stapelanordnung 315, da bestimmte Löcher verschlossen sind, Abschirmteile 96 einzeln in den Verteilungen 360, 363, 361, 364, 362 und 365 ausgebildet.
  • Da die Verteilung 360 mit der außerhalb liegenden Zuführungsvorrichtung für Oxidationsgas durch eine Umkehrplatte 90 hindurch von dem Abschirmteil 96 aus in der Richtung auf die Umkehrplatte 90 zu verbunden ist, wirkt die Verteilung 360 als eine Zuführungsverteilung für Oxidationsgas, und die Verteilung 363 wirkt als eine Abgassammelleitung für Oxidationsgas. Wenn die Strömung des Gases, das durch die Verteilung 360 strömt, durch das Abschirmteil 96 abgesperrt ist, ist die Strömungsrichtung des Gases in den Verteilungen an der strömungsabwärts gelegenen Fläche dieses Abschirmteils 96 und in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle, die mit diesen Verteilungen in Verbindung stehen, verändert. D. h., die Verteilung 360 wirkt als Abgassammelleitung für Oxidationsgas, die Verteilung 363 wirkt als Zuführungsverteilung für Oxidationsgas, und die Strömungsrichtung des Gases in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle, die durch die Rippen 55 ausgebildet sind, ist entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Oxidationsgases in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle (der Durchlässe, die durch die Rippen 55 ausgebildet sind), die in den Einheitszellen ausgebildet sind, die an der strömungsabwärts gelegenen Fläche des Abschirmteils 96 angeordnet sind.
  • Ebenso ist die Verteilung 363 mit dem Abschirmteil 96 versehen, und die Strömungsrichtung des Gases ist in den Verteilungen an der strömungsabwärts gelegenen Fläche des Abschirmteils 96 und in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle, welche mit diesen Verteilungen in Verbindung stehen, verändert. D. h., die Verteilung 360 wirkt als Zuführungsverteilung für Oxidationsgas, die Verteilung 363 wirkt als Abgassammelleitung für Oxidationsgas, und die Strömungsrichtung des Gases in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle, die durch die Rippen 55 ausgebildet sind, kehrt zu der gleichen Richtung wie die Strömungsrichtung des Gases in den inneren Oxidationsgasdurch lässen der Einheitszelle (den Durchlässen, die durch die Rippen 55 ausgebildet sind) zurück, die in den Einheitszellen ausgebildet sind, die in dem Bereich angeordnet sind, der an die Umkehrplatte 90 angrenzt.
  • Die Abschirmteile 96, die in den Verteilungen 361, 364, 362 und 365 angeordnet sind, wirken auf die gleiche Weise. D. h., wenn die Strömung des Oxidationsgases, das durch die Verteilung strömt, die als Zuführungsverteilung für Oxidationsgas wirkt, durch das Abschirmteil 96 abgesperrt ist, sind an der strömungsabwärts gelegenen Fläche des Abschirmteils 96 die Zuführungsverteilung für Oxidationsgas und die Abgassammelleitung für Oxidationsgas vertauscht, und die Strömungsrichtung des Oxidationsgases in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle, die durch die entsprechenden Rippen ausgebildet sind, wird umgekehrt.
  • Entsprechend der so aufgebauten Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform werden wie in der vorstehenden Ausführungsform zusätzlich zu dem Effekt der Erhöhung der Gasströmungsmenge in dem Durchlaß durch Unterteilen des inneren Gasdurchlasses der Einheitszelle in der gleichen Fläche die nachstehenden Effekte erhalten. D. h., durch Anordnen des Abschirmteils in der Verteilung, die als Gaszuführungsverteilung wirkt, wird die Strömungsmenge des Gases, das durch jeden inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle gelangt, weiter gesteigert, und der Gasausnutzungsgrad wird weiter erhöht. Wenn z. B. in dieser Ausführungsform Oxidationsgas in die Verteilung, die durch das Loch 40 des Separators 30 ausgebildet ist, eingeleitet wird, wird das Oxidationsgas in den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle (den Durchlässen, die durch die Rippen 55 ausgebildet sind) verteilt, die in den einzelnen Einheitszellen von dem Ende der Zuführung des Oxidationsgases bis zu der Stelle des Abschirmteils angeordnet sind, aber in der Brennstoffzelle, die kein Abschirmteil in der Verteilung hat, wird das Oxidationsgas auf die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle (auf die Durchlässe, die durch die Rippen 55 ausgebildet sind) verteilt, die in jeder von allen Einheitszellen zum Zusammensetzen der Stapelanordnung ausgebildet sind. Daher kann durch Anordnen der Abschirmteile in den Verteilungen, wenn die Menge des von außen zugeführten Gases konstant bleibt, die Menge an Gas, das durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle strömt, weiter gesteigert werden, und es werden die vorstehenden Effekte erhalten.
  • Wie vorstehend angeführt wurde, kann durch Unterteilen der Stapelanordnung für das Zusammensetzen der Brennstoffzelle in mehrere Abschnitte und Schalten der unterteilten Stapelanordnungen in Reihe die Strömungsmenge des Gases, das durch die inneren Gasströmungsdurchlässe der Einheitszelle strömt, erhöht werden, aber in der Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform kann durch einen einfachen Aufbau von Ausbilden von Abschirmteilen in den Gasverteilungen (durch Verschließen bestimmter Löcher in bestimmten Separatoren) die Strömungsmenge des Gases, das durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle gelangt, erhöht werden, und es ist nicht nötig, das Gasrohrnetz komplizierter zu machen, um die Gasströmungsmenge zu erhöhen. In einer derartigen Brennstoffzelle kann durch Festlegen der Position und Zahl von Abschirmteilen, die in den Gasverteilungen anzuordnen sind, der Grad des Erhöhens der Gasmenge, die durch jeden inneren Gasdurchlaß der Einheitszelle gelangt, eingestellt werden. Durch Anordnen eines Abschirmteils unterwegs in einer Verteilung erhöht sich in der Ausführungsform der Strömungswiderstand in dem in der Stapelanordnung ausgebildeten Gasdurchlaß. Daher kann durch Festlegen der Anzahl von Abschirmteilen oder der Position der Abschirmteile der Strömungswiderstand in der gesamten Stapelanordnung frei festgelegt werden. In der Ausführungsform sind Abschirmteile in den Verteilungen angeordnet, durch welche das Oxidationsgas strömt, oder es können ähnliche Abschirmteile in den Verteilungen angeordnet sein, durch welche das Brenngas strömt.
  • In der Ausführungsform sind die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle ausgebildet, um eine Verbindung mit den an entgegengesetzten Stellen angeordneten Verteilungen herzustellen, und das Gas, das durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle gelangt, strömt in einer bestimmten Richtung. Jedoch wird noch ein anderer erfindungsgemäßer Aufbau bereitgestellt. Eine Brennstoffzelle eines solchen Aufbaus ist nachstehend als eine dritte Ausführungsform dargestellt, somit ist diese dritte Ausführungsform eine Ausführungsform der Erfindung.
  • 14 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines Aufbaus eines Separators 430 für das Zusammensetzen der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform, und 15 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines Aufbaus einer Umkehrplatte 470 der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform. Die Stapelanordnung zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform ist mit der Ausnahme, daß diese den Separator 430 anstelle des Separators 30 und die Umkehrplatte 470 anstelle der Umkehrplatte 70 hat, ähnlich der der Stapelanordnung 15 der ersten Ausführungsform, und daher wird hier eine ausführliche Beschreibung der gemeinsamen Komponenten weggelassen.
  • Der Separator 430 hat an seinem Umfang Löcher 440 bis 443, 450 bis 453. Hierbei sind die Löcher 440 bis 443 aufeinander folgend und zueinander benachbart entlang einer bestimmten Fläche des Separators 430 angeordnet, und die Löcher 450 bis 453 sind aufeinander folgend und benachbart entlang einer Fläche angeordnet, die der Fläche der Löcher 440 bis 443 gegenüberliegt. Auf einer Fläche des Separators 430 sind Vertiefungen 455 und 456 ausgebildet. Die Vertiefungen 455 und 456 sind in gegenseitig parallelen U-Formen in der Querrichtung ausgebildet. Die Vertiefung 455 steht mit dem Loch 450 und dem Loch 451 an ihren beiden Enden in Verbindung. Die Vertiefung 456 steht mit dem Loch 452 und dem Loch 453 an ihren beiden Enden in Verbindung. In dem Separator 430 sind ferner an der Fläche, die sich entgegengesetzt zu der in 14 dargestellten Fläche befindet, zwei Vertiefungen, die den Vertiefungen 455, 456 ähnlich sind, in U-Formen, die umgekehrt zu denen der Vertiefungen 455, 456 sind (nicht dargestellt), ausgebildet. Die eine von den zwei an der Rückfläche ausgebildeten Vertiefungen steht an ihren beiden Enden mit den Löchern 440 und 441 in Verbindung, und die andere Vertiefung steht an ihren beiden Enden mit den Löchern 442 und 443 in Verbindung.
  • In der Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines solchen Separators 430 zusammengesetzt ist, bilden die Vertiefungen 455 und 456 zusammen mit der angrenzenden Anode 32 innere Brennstoffgasdurchlässe der Einheitszelle aus, und die zwei Vertiefungen, die an der rückseitigen Fläche ausgebildet sind, bilden zusammen mit der angrenzenden Kathode innere Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle aus. Die Löcher 450 und 452 bilden Zuführungsverteilungen für Brennstoffgas zum Aufteilen von Brennstoffgas auf die inneren Brennstoffgasdurchlässe der Einheitszelle in der Stapelanordnung aus, die durch Schichten des Separators 430 ausgebildet ist, und die Löcher 451 und 453 bilden Abgassammelleitungen für Brennstoffgas zum Sammeln des Brennstoffgases, das von den inneren Brennstoffgasdurchlässen der Einheitszelle abgegeben wurde, die in der Stapelanordnung gleich sind, aus. Ebenso bilden die Löcher 440 und 442 Zuführungsverteilungen für Oxidationsgas zum Verteilen von Oxidationsgas auf die inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle in der Stapelanordnung aus, und die Löcher 441 und 443 bilden Abgassammelleitungen für Oxidationsgas zum Sammeln von Oxidationsgas aus, das aus den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle abgegeben wurde, die in der Stapelanordnung gleich sind.
  • Ferner sind in dem Umfangsbereich des Separators 430 in der Nähe der Löcher 450 und 453 ein Loch 457 und ein Loch 458 ausgebildet. Diese Löcher 457, 458 bilden Kühlwasserverteilungen in der durch Schichten des Separators 430 ausgebildeten Stapelanordnung aus. Das von der Außenseite der Brennstoffzelle zugeführte Kühlwasser wird durch Kühlwasserverteilungen hindurch, die durch das Loch 457 ausgebildet sind, auf Kühlwasserdurchlässe zwischen den Einheitszellen verteilt, und das aus dem Kühlwasserdurchlaß zwischen den Einheitszellen abgegebene Kühlwasser wird durch Kühlwassersammelleitungen, die durch das Loch 458 ausgebildet sind, an die Außenseite der Brennstoffzelle geführt.
  • In 14 ist die Vertiefung des Separators 430 mit einer flachen konkaven Oberfläche dargestellt, aber jede Vertiefung des wirklichen Separators 430 hat eine Vielzahl von speziellen konvexen Teilen, die von der konkaven Oberfläche vorstehen, wie z. B. die Noppen des in 5 dargestellten Separators 30A. Durch solche konvexen Teile wird das Gas, das durch die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle strömt, die durch die konkaven Teile ausgebildet sind, in heftige Bewegung versetzt, und da sich die konvexen Teile mit der Gasdiffusionselektrode, die an den Separator 430 angrenzt, in Berührung befinden, wird ein ausreichendes Leitvermögen mit der Gasdiffusionselektrode gehalten.
  • Die Umkehrplatte 470 hat Löcher 475 bis 478, Löcher 491, 492 und Vertiefungen 471, 474. Diese Umkehrplatte 470 ist an dem einen Ende der Stapelanordnung so angeordnet, wie die Umkehrplatte 70 in der Stapelanordnung 15 der ersten Ausführungsform, für welche in 7 und 8 die Draufsicht der Gasströmung dargestellt ist. Wenn die Stapelanordnung unter Verwendung der Umkehrplatte 470 ausgebildet wird, wird die Umkehrplatte 470 so angeordnet, daß sich die in 15 dargestellte Fläche in Berührung mit dem Aufbau befindet, in welchem die Einheitszellen geschichtet sind. In 15 sind die Positionen der Löcher und Vertiefungen des Separators 430 durch gestrichelte Linien auf der Umkehrplatte 470 gekennzeichnet, um die Anordnung der Löcher 475 bis 478, der Löcher 491, 492 und der Vertiefungen 471, 474 dieser Umkehrplatte 470, und der Löcher 440 bis 443, 450 bis 453, 457, 458 und der Vertiefungen 455, 456 des Separators 430 (der Anordnung von Löchern und Vertiefungen in der Stapelanordnung, in welcher die Elemente einschließlich der Umkehrplatte 470 und des Separators 430 schichtweise aneinandergelegt sind), klarzustellen.
  • In der ausgebildeten Stapelanordnung stehen jeweils das Loch 477 mit dem Loch 450 in dem Separator 480, das Loch 478 mit dem Loch 453 in dem benachbarten Separator 430, das Loch 475 mit dem Loch 440 in dem Separator 430, das Loch 476 mit dem Loch 443 in dem Separator 430, das Loch 491 mit dem Loch 457 in dem Separator 430 und das Loch 492 mit dem Loch 458 in dem Separator 430 in Verbindung. Die Vertiefung 474 ist unter Abdecken des Bereichs der Ausbildung der Löcher 451, 452 in dem Separator 430 ausgebildet, und die Gasverteilungen, die durch die Löcher 451, 452 in der Stapelanordnung ausgebildet sind, stehen an dem Endabschnitt der Stapelanordnung miteinander in Verbindung. In ähnlicher Weise ist die Vertiefung 471 unter Abdecken des Bereichs der Ausbildung der Löcher 441, 442 in dem Separator 430 ausgebildet, und die durch die Löcher 441, 442 in der Stapelanordnung ausgebildeten Gasverteilungen stehen an dem Endabschnitt der Stapelanordnung miteinander in Verbindung.
  • Nachstehend wird die Strömung von Gas in der Brennstoffzelle mit dem Separator 430 und der Umkehrplatte 470 erklärt. Die Stapelanordnung zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle der Ausführungsform, die der in 3 dargestellten Stapelanordnung 15 ähnlich ist, weist die Stromabnehmer, Isolierplatten und Endplatten auf. In diesen Stromabnehmern, Isolierplatten und Endplatten sind an Positionen, die den Löchern des Separators 430 entsprechen, Löcher angeordnet, und durch Verbinden der Löcher der Endplatte und der externen Vorrichtungen, die die gleichen sind wie in den vorstehenden Ausführungsformen, kann das Fluid der Brennstoffzelle zugeführt und aus dieser abgegeben werden. Das Loch 477 in der Umkehrplatte 470 ist durch die Löcher hindurch, die in den Stromabnehmern, Isolierplatten und Endplatten, die angrenzend an diese Umkehrplatte angeordnet sind (Löcher, die an Positionen entsprechend den Positionen der Löcher 477 angeordnet sind), mit der Zuführungsvorrichtung für Brennstoffgas verbunden. Das zugeführte Brennstoffgas wird dem einen von den inneren Brennstoffdurchlässen der Einheitszelle (dem Durchlaß, der durch die Vertiefung 455 ausgebildet ist), der in jeder Einheitszelle ausgebildet ist, durch die Zuführungsverteilung für Brennstoffgas hindurch, die durch das in dem Separator 430 angeordnete Loch 450 ausgebildet ist, zugeteilt. Das Brennstoffgas, das durch den inneren Brennstoffgasdurchlaß der Einheitszelle hindurchgelangt, wird in der Abgassammelleitung für Brennstoffgas, die durch das Loch 451 ausgebildet ist, gesammelt und wird durch die Vertiefung 474 der Umkehrplatte 470 in die Zuführungsleitung für Brennstoffgas, die durch das Loch 452 ausgebildet ist, geführt. Ferner wird das Brennstoffgas aus dieser Zuführungsverteilung für Brennstoffgas dem anderen inneren Brennstoffgasdurchlaß der Einheitszelle zugeteilt (dem Durchlaß, der durch die Vertiefung 456 ausgebildet ist), der in jeder Einheitszelle ausgebildet ist, und das Brennstoffgas, das durch diesen inneren Brennstoffdurchlaß der Einheitszelle hindurchgelangt, wird in der Abgassammelleitung für Brennstoffgas gesammelt, die durch das Loch 453 ausgebildet ist. Die Stromabnehmer, Isolierplatten und Endplatten haben Löcher, die an Positionen angeordnet sind, die den Löchern 478 der Umkehrplatte 470 entsprechen, und das in den Abgassammelleitungen für Brennstoffgas gesammelte Brennstoffgas wird durch diese Löcher hindurch an eine sich außerhalb befindende Abgabevorrichtung für Brennstoffgas abgegeben.
  • Der Durchgang des Oxidationsgases ist ähnlich ausgebildet, und das Oxidationsgas wird der Zuführungsverteilung für Oxidationsgas, die durch das Loch 440 des Separators 430 ausgebildet ist, von außen zugeführt und dem einen von den inneren Oxidationsgasdurchlässen der Einheitszelle, die in jeder Einheitszelle ausgebildet sind, zugeteilt. Das Oxidationsgas, das durch diese inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle hindurchgelangt, wird in der Abgassammelleitung für Oxidationsgas gesammelt, die durch das Loch 441 ausgebildet ist, und wird durch die Vertiefung 471 hindurch, die in der Umkehrplatte 470 angeordnet ist, in die Zuführungsverteilung für Oxidationsgas geführt, die durch das Loch 442 ausgebildet ist. Das Oxidationsgas, das aus dieser Zuführungsverteilung für Oxidationsgas dem anderen inneren Oxidationsgasdurchlaß der Einheitszelle zugeführt wird, der in jeder Zelle ausgebildet ist, wird in der Abgassammelleitung für Oxidationsgas, die durch das Loch 443 ausgebildet ist, gesammelt und nach außen abgegeben.
  • In den Stromabnehmern, den Isolierplatten und den Endplatten sind ferner Löcher an Positionen angeordnet, die den Löchern 491, 492 der Umkehrplatte 470 entsprechen. Von diesen ist an dem Loch, das dem Loch 491 entspricht, eine spezielle Zuführungsvorrichtung für Kühlwasser angeschlossen, und das Kühlwasser wird der Kühlwasserverteilung zugeführt, die durch das in dem Separator 430 angeordnete Loch 457 ausgebildet ist, und dann wird das zugeführte Kühlwasser aus dieser Kühlwasserverteilung dem Kühlwasserdurchlaß zwischen den Einheitszellen zugeteilt, der vorstehend angeführt wurde. Das Kühlwasser, das durch den Kühlwasserdurchlaß zwischen den Einheitszellen fließt, wird in der Kühlwassersammelleitung gesammelt, die durch das Loch 458 ausgebildet ist, und wird durch das Loch hindurch, das dem Loch 492 entspricht, an eine spezielle Abgabevorrichtung für Kühlwasser abgegeben.
  • In einer derartigen Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform sind durch Unterteilen des inneren Gasdurchlasses der Einheitszelle in mehrere auf der gleichen Oberfläche und Verringerung der Querschnittsfläche des inneren Gasdurchlasses der Einheitszelle die Strömungsmenge und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dem inneren Durchlaß der Einheitszelle erhöht, und der Ausnutzungsgrad des Gases in dem Brennstoffgas ist verbessert, und zusätzlich zu diesen Effekten, die gleich denen der vorstehenden Ausführungsformen sind, können ferner die nachstehenden Effekte erzielt werden. D. h., durch Ausbilden von jedem von der Vielzahl von inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die auf der gleichen Fläche in U-Formen unterteilt sind, ist der Anteil der Fläche der Bereiche, die zu der elektrochemischen Reaktion beitragen (nachstehend Stromabnehmer genannt) in dem Geamtquerschnittsbereich der Stapelanordnung erhöht, so daß die Größe der Gesamtbrennstoffzelle verringert werden kann.
  • In der Brennstoffzelle mit inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle, die wie in der ersten Ausführungsform geradlinig unterteilt sind, wird der Effekt der Verringerung der Querschnittsfläche von Durchlässen auf ähnliche Weise erhalten, wenn die Stromabnehmer parallel in vier Abschnitte unterteilt werden, oder falls die Brennstoffzelle unter Verwendung des Separators 430 zum Ausbilden von U-förmigen inneren Durchlässen der Einheitszelle wie in der dritten Ausführungsform verwendet wird, und vier Löcher (zum Ausbilden von Verteilungen) entlang einer bestimmten Fläche des Separators auszubilden sind, aber in der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform ist es nicht erforderlich, Löcher in dem Bereich entlang einer Fläche auszubilden, die entgegengesetzt zu der einen Seite ist, und dieser Bereich kann als Stromabnehmer genutzt werden. Mit anderen Worten, in dem Separator zum Ausbilden von U-förmigen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle ist ein Bereich außerhalb der Bereiche zum Ausbilden der Löcher (eines Bereichs, der nahe zu dem Bereich zum Ausbilden der Fläche liegt, die zu der einen Seite entgegengesetzt ist) nicht erforderlich. Da ein Teil der Löcher zum Ausbilden von Verteilungen nicht erforderlich sind, ist übrigens die Dichtungsanordnung, die nahe dem Loch angeordnet ist (die Anordnung, um Luftdichtigkeit in der Verteilung zu erhalten), nicht erforderlich, wodurch der Aufbau von Separator und Dichtung vereinfacht werden kann. Daher kann die Brennstoffzelle in ihren Abmessungen kleiner sein, d. h., die Querschnittsfläche der Brennstoffzelle kann kleiner sein. Demzufolge können die Abmessungen der Bauelemente, wie z. B. des Separators, verringert werden, und es können Materialkosten gespart werden. Wenn die Brennstoffzelle in einem Elektrofahrzeug als Stromquelle für das Fahrzeug eingebaut ist, kann zusätzlich, da die Abmessungen der Brennstoffzelle verringert sind, der Grad an Freiheit bei der Konstruktion des Fahrzeugs erhöht werden.
  • In der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform sind die unterteilten inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle an der Brennstoffgasfläche und der Oxidationsgasseite in zueinander entgegengesetzten U-Formen ausgebildet. Wenn in einem solchen Aufbau die Löcher zum Ausbilden von Verteilungen zum Zuführen und Abgeben von dem einen Gas in dem Separator entlang einer bestimmten Seite angeordnet sind, sind die Löcher zum Zuführen und Abgeben des anderen Gases entlang der Fläche angeordnet, die zu der einen Seite entgegengesetzt ist, und es sind keine Löcher zum Ausbilden von Verteilungen nahe den anderen zwei Seiten erforderlich. Daher kann die Gestalt der Brennstoffzelle in einer bestimmten Richtung verkürzt werden. Wenn die Vertiefungen zum Ausbilden der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle wie in dem Separator 430, der in 14 dargestellt ist, als seitliche U-Formen ausgebildet sind, kann die Brennstoffzelle in der senkrechten Richtung in der Länge verkürzt werden. Wenn die Gestalt der Brennstoffzelle in der senkrechten Richtung kürzer ist, ist das insbesondere für das Anordnen der Brennstoffzellen unter dem Sitz vorteilhaft, wenn die Brennstoffzellen in einem Elektrofahrzeug als Stromquelle für das Fahrzeug eingebaut sind.
  • In dem Separator zum Zusammensetzen einer solchen Brennstoffzelle sind die Verteilungen zum Zuführen und Abgeben von Kühlwasser, wie vorstehend erwähnt wurde, seitwärts von den Verteilungen zum Zuführen und Abgeben von Gas angeordnet, aber da durch Verlagern der Kühlwasserleitungen die Kühlwasserverteilungen an Stellen angeordnet werden können, die von den Stromabnehmern weiter entfernt sind als die Gasverteilungen, braucht auf den Effekt der Verkürzung der Länge der Brennstoffzelle in der senkrechten Richtung nicht verzichtet werden. D. h., es wird bevorzugt, daß die Gasverteilungen in einem Bereich nahe zu den Stromabnehmern angeordnet sind, um das Gas, das direkt zu der elektrochemischen Reaktion beiträgt, den Einheitszellen effizient zuzuführen, aber die Verteilungen des Kühlwassers, das nicht direkt zu der elektrochemischen Reaktion beiträgt, können in einem Be reich angeordnet sein, der von den Stromabnehmern entfernt ist, und daher können die Verteilungen für das Kühlwasser weiter von den Stromabnehmern entfernt angeordnet sein als die Gasverteilungen, und es ist nicht erforderlich, die Länge der Brennstoffquelle in der senkrechten Richtung auszudehnen. Insbesondere kann in der elliptischen Querschnittsform der Stromabnehmer durch Abschneiden der Ecken wie in der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des in 14 dargestellten Separators 430 zusammengesetzt ist, die Ausdehnung. der Brennstoffzelle in der seitlichen Richtung verringert werden. D. h., da die Querschnittsform der Stapelanordnung rechteckig ist, wird ein toter Raum in den Ecken verursacht, wenn die Gasverteilungen entlang den elliptischen Stromabnehmern angeordnet sind, und die Kühlwasserverteilungen können in diesem Raum angeordnet werden, wodurch die Ausdehnung der Brennstoffzelle in der seitlichen Richtung verringert wird, während die Kürze der Brennstoffzelle in der senkrechten Richtung beibehalten wird, so daß die Abmessungen der Gesamtbrennstoffzelle verringert werden können. Falls die Querschnittsform des Gesamtstromabnehmers anstelle von elliptisch rechteckig ist und die Gasdurchlässe in U-Form ausgebildet sind, neigt übrigens die Gasströmung dazu, an den Ecken in dem Boden der U-Formen ungenügend zu sein, und eine elektrochemische Reaktion könnte nicht ausreichend ablaufen. Daher gibt es, falls die Stromabnehmer mit elliptischem Querschnitt ausgebildet sind, wie vorstehend angeführt ist, und der Bereich der Stromabnehmer, der den Ecken entspricht, verringert ist, praktisch keine Auswirkung auf die Leistung der Zelle.
  • In dem Separator 430 zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform ist der strömungsabwärts gelegene Flächenbereich der Vertiefung 455 (der gerade Bereich, der näher zu dem Loch 451 liegt) im Vergleich zu dem strömungsaufwärts gelegenen Flächenbereich (dem geraden Bereich, der näher zu dem Loch 450 liegt) mit geringerer Breite ausgebildet, und ähnlich ist der strömungsabwärts gelegene Flächenbereich der Vertiefung 456 (der gerade Bereich, der na her zu dem Loch 453 liegt) im Vergleich mit dem strömungsaufwärts gelegenen Flächenbereich (dem geraden Bereich, der näher zu dem Loch 452 liegt) mit geringerer Breite ausgebildet (siehe 14). In den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle der Brennstoffzelle mit einem derartigen Separater 430 ist die Querschnittsfläche des Durchlasses an der Abgangsseite kleiner. Wenn die elektrodenaktive Substanz in dem zugeführten Gas in der elektrochemischen Reaktion verbraucht wird, sind die Gasströmungsmenge und die Konzentration der elektrodenaktiven Substanz in dem Gas verringert. Daher wird in der gesamten Brennstoffzelle eine gleichförmige Reaktion erwartet, wenn die Querschnittsfläche des Durchlasses an der Abgangsseite verringert wird, um die Abnahme der Gasströmungsmenge zu kompensieren, und es kann eine hinreichende Spannung aufrechterhalten werden.
  • Ferner kann in der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform der Gasausnutzungsgrad weiter gesteigert werden, da die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle, verglichen mit der geradlinigen Form der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle, in U-Formen ausgebildet sind. D. h., wenn das Gas durch die Form des Durchlasses geführt wird und die Strömungsrichtung zu der entgegengesetzten Richtung verändert wird, ist es wahrscheinlich, daß in dem Bereich in dem Unterteil der U-Form eine turbulente Strömung auftritt, wobei das Gas mehr verwirbelt wird, so daß der Gasausnutzungsgrad verbessert ist.
  • In der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform kann die Ableitungsvorrichtung des in den Gasströmungsdurchlässen erzeugten Wassers vereinfacht werden, da die Form der inneren Gasdurchlässe sowohl an der Brennstoffgasfläche als auch der Oxidationsgasseite die seitliche U-Form hat und das Gas nach unten strömt. Z. B. wird, wenn wie in der ersten Ausführungsform die inneren Oxidationsgasdurchlässe in der senkrechten Richtung ausgebildet sind, das erzeugte Wasser durch die inneren Oxidationsgasdurchlässe der Einheitszelle geführt und fällt nach unten, und wird dann in drei Verteilun gen gesammelt, die unten positioniert sind (Abgassammelleitungen 63, 65 und Zuführungsverteilung 61 für Oxidationsgas). In einer solchen Brennstoffzelle war es erforderlich, das Wasser durch Ausrüsten der Verteilungen mit Ableitungsventilen oder dergleichen zu entfernen. In der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform wird das erzeugte Wasser nach und nach durch den Druck und die Schwerkraft der Gasströmung zu der strömungsabwärts gelegenen Fläche in den inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle geführt, da alle inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle die seitliche U-Form haben. Auf diese Weise wird das erzeugte Wasser schließlich in die Verteilung geführt, die durch das Loch 453 oder das Loch 443 des Separators 430 ausgebildet ist, und die Ableitungsvorrichtung braucht nur in der Verteilung angeordnet zu sein, die an der niedrigsten Stelle angeordnet ist. Oder wenn das erzeugte Wasser, das in diese Verteilungen geführt wurde, durch den Gasdruck genügend nach außerhalb der Brennstoffzelle abgegeben wird, ist eine Ableitungsvorrichtung in der Brennstoffzelle nicht erforderlich, und der Aufbau kann weiter vereinfacht werden.
  • In dem Separator 430 zum Zusammensetzen der Brennstoffzelle der dritten Ausführungsform sind die U-förmigen Vertiefungen zum Ausbilden der inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle an zwei Stellen auf jeweils jeder Seite ausgebildet, aber die inneren Gasdurchlässe der Einheitszelle können in zwei oder mehrere Abschnitte unterteilt sein (die Anzahl von auf einer Seite ausgebildete Vertiefungen). Bei Erhöhen der Zahl von Unterteilungen ist die Querschnittsfläche kleiner, und die Gasströmungsgeschwindigkeit ist höher, und ferner kann unter Berücksichtigung des Grads an Anwachsen von Energie, die erforderlich ist, um das Gas zu komprimieren, wenn das Gas unter Erhöhen der Anzahl von Unterteilungen und Erhöhen des Durchlaßwiderstands zugeführt wird, die Anzahl von Unterteilungen geeignet festgelegt werden. In dem Separator 430 können die Umfangsbereiche zum Ausbilden der Verteilungen und der Bereich zum Ausbilden der Stromabnehmer entweder in einem Stück oder getrennt ausgebildet sein.
  • In der Brennstoffzelle der vorliegenden dritten Ausführungsform und auch in der Brennstoffzelle der ersten Ausführungsform wird das Gas, das durch die Abgassammelleitungen gelangt, in die Gaszuführungsverteilungen geführt, die benachbart zu den Abgassammelleitungen in der Umkehrplatte angeordnet sind. Folglich können die Vertiefungen, die in der Umkehrplatte zum Führen des Gases angeordnet sind, kleiner (kürzer) sein, und das Volumen der konkaven Teile kann verringert werden. Während das Gas durch die Vertiefungen strömt, trägt das Gas nicht zur Stromerzeugung bei, und durch Verringerung des Volumens des Gases, das nicht zu der Reaktion beiträgt, während die Größe der Brennstoffzelle und das Volumen des Beschickungsgases unverändert sind, kann der Wirkungsgrad der Stromerzeugung in hinreichender Höhe aufrechterhalten werden.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, kann der Gasdichtungsaufbau in der Nähe der Vertiefungen der Umkehrplatte vereinfacht werden, wenn das durch eine bestimmte Gasverteilung strömende Gas durch die Vertiefungen der Umkehrplatte in die benachbarte Gasverteilung geführt wird. D. h., in der Nähe des Bereichs, der Einlaß und Auslaß des gleichen Gases benachbart ausbildet, ist eine strikte Luftdichtigkeit wie in dem Fall von benachbarten Einlässen und Auslässen von unterschiedlichen Gasen (Sauerstoff und Wasserstoff) nicht erforderlich.
  • In der vorstehenden dritten Ausführungsform sind in einer einzigen Stapelanordnung die Gasdurchlässe in der Schichtungsrichtung der Stapelanordnung parallel unterteilt, und das der Stapelanordnung zugeführte Gas ist dazu bestimmt, hintereinander diese unterteilten Durchlässe zu passieren, aber die Brennstoffzelle kann durch Verbinden einer Vielzahl von solchen Stapelanordnungen aufgebaut sein, wodurch ein größerer elektrischer Strom erhalten werden kann.
  • In den vorstehenden Ausführungsformen ist die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle erklärt, aber der Aufbau der Erfindung kann auch auf andere Typen von Brennstoffzellen an gewendet werden. Z. B. können bei Anwendung in der Brennstoffzelle vom Phosphat-Typ oder der Brennstoffzelle vom Festkörperelektrolyt-Typ die Gasausnutzung erhöht, die Wasserabgabeleistung verbessert und andere ähnliche Wirkungen erhalten werden.

Claims (13)

  1. Separator (430) für eine Einheitszelle (20) einer Brennstoffzelle, wobei die Einheitszelle (20) den Separator (430), eine Elektrolytschicht (31) und eine Elektrode (32) aufweist, die schichtweise aneinandergelegt sind, um eine Vielzahl von inneren Durchlässen innerhalb der Einheitszelle (20) auszubilden, wobei der Separator aufweist: eine Vielzahl von erste innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456), die auf einer ersten Fläche des Separators (430) ausgebildet sind und sich entlang dieser erstrecken, wobei jede erste innere Durchlässe der Zelle ausbildende Struktur (450, 451, 455; 452, 453, 456) einen von den inneren Durchlässen der Zelle ausbildet, wenn der Separator (430) in der Einheitszelle (20) angeordnet ist, wobei jede von den erste innere Durchlässe der Einheitszelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456) zwei erste Löcher (450, 451; 452, 453) aufweist, die sich durch den Separator (430) hindurch in einer Dickenrichtung von ihm erstrecken und ein erster konkaver Abschnitt (455; 456) eine Verbindung für Fluids zwischen den zwei ersten Löchern (450, 451; 452, 453) herstellt, wobei die erste innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456) so ausgebildet sind, daß die inneren Durchlässe der Zelle bezüglich eines Fluids gegeneinander abgedichtet sind, und wobei alle von den erste innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456) aneinander angrenzend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß – die zwei ersten Löcher (450, 451; 452, 453), die in jeder von den erste innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456) enthalten sind, entlang einem ersten Randabschnitt des Separators (430) angeordnet sind, – sich jede von den erste innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456) entlang der ersten Fläche des Separators (430) von einem strömungsaufwärts gelegenen Loch (450; 452) von den zwei ersten Löchern weg von dem ersten Randabschnitt des Separators (430) erstreckt und dann zu dem ersten Randabschnitt zurückkehrt, um ein strömungsabwärts gelegenes Loch (451; 453) der zwei ersten Löcher einzubinden, so daß ein erster konkaver Abschnitt (455; 456), der in jeder von den erste innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (450, 451, 455; 452, 453, 456) enthalten ist, eine U-Form hat und so daß die die U-Form aufweisenden ersten konkaven Abschnitte (455; 456) in der gleichen Richtung ausgerichtet sind.
  2. Separator (430) gemäß Anspruch 1, der ferner aufweist: eine Vielzahl von zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443), die auf einer zweiten Fläche des Separators (430) ausgebildet sind und sich entlang dieser erstrecken, wobei jede zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildende Struktur (440, 441; 442, 443) einen von den inneren Durchlässen der Zelle ausbildet, wenn der Separator (430) in der Einheitszelle (20) angeordnet ist, wobei jede von den zweite innere Durchlässe der Einheitszelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443), zwei zweite Löcher (440, 441; 442, 443) aufweist, die sich durch den Separator (430) hindurch in einer Dickenrichtung von ihm erstrecken und ein zweiter konkaver Abschnitt (455; 456) eine Verbindung für Fluids zwischen den zwei zweiten Löchern (440, 441; 442, 443) herstellt, wobei die zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443) so ausgebildet sind, daß die inneren Durchlässe der Zelle bezüglich eines Fluids gegeneinander abgedichtet sind, und wobei alle von den zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443) aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei die zwei zweiten Löcher (440, 441; 442, 443), die in jeder von den zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443) enthalten sind, entlang einem zweiten Randabschnitt des Separators (430) angeordnet sind, der entgegengesetzt zu dessen erstem Randabschnitt ist, wobei sich jede von den zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443) entlang der zweiten Fläche des Separators (430) von einem strömungsaufwärts gelegenen Loch (440; 442) von den zwei zweiten Löchern weg von dem zweiten Randabschnitt des Separators (430) erstreckt und dann zu dem zweiten Randabschnitt zurückkehrt, um ein strömungsabwärts gelegenes Loch (441; 443) der zwei zweiten Löcher einzubinden, so daß der zweite konkave Abschnitt, der in jeder von den zweite innere Durchlässe der Zelle ausbildenden Strukturen (440, 441; 442, 443) enthalten ist, eine U-Form hat und so daß die die U-Form aufweisenden zweiten konkaven Abschnitte in der gleichen Richtung ausgerichtet sind und in der Richtung ausgerichtet sind, die entgegengesetzt zu der Ausrichtungsrichtung der U-förmigen ersten konkaven Abschnitte (455; 456) ist.
  3. Separator (430) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste oder die ersten und zweiten konkaven Abschnitte (455; 456) mit einer Vielzahl von konvexen Abschnitten versehen sind, die so geformt sind, daß sie von der Bodenfläche des jeweiligen konkaven Abschnitts (455; 456) vorstehen.
  4. Separator (430) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste oder die ersten und zweiten konkaven Abschnitte (455; 456) mit mehreren Rippen (55 bis 59) versehen sind, welche parallel zueinander ausgebildet sind.
  5. Separator (430) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwei geraden Bereiche der U-förmigen ersten (455; 456) oder der U-förmigen ersten und zweiten konkaven Abschnitte so ausgebildet sind, daß die Breite des geraden Bereichs, der näher zu dem strömungsabwärts gelegenen einen Loch (441, 443; 451, 453) von den zwei Löchern angeordnet ist, geringer ist als die Breite des anderen geraden Bereichs, der näher zu dem strömungsaufwärts gelegenen einen Loch (440, 441; 450, 452) von den zwei Löchern angeordnet ist.
  6. Brennstoffzelle zum Bereitstellen einer elektromotorischen Kraft durch chemische Reaktion auf der Grundlage von Zufuhr eines Reaktionsgases, wobei die Brennstoffzelle aus einer Vielzahl von Einheitszellen (20) zusammengesetzt ist, die in einer Stapelanordnung (15) schichtweise aneinandergelegt sind, wobei jede von den Einheitszellen (20) den Separator (430), wie er in einem von den Ansprüchen 1 bis 5 abgegrenzt ist, eine Elektrolytschicht (31) und eine Elektrode (32) aufweist, die schichtweise aneinandergelegt sind, um eine Vielzahl von inneren Durchlässen der Zelle innerhalb der Einheitszelle (20) auszubilden, wobei die Brennstoffzelle aufweist: Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbildende Teile (60 bis 69; 440 bis 443, 450 bis 453), die in der Stapelanordnung (15) in einer Schichtungsrichtung zum Durchlassen des zugeführten Reaktionsgases durch diese hindurch angeordnet sind, wobei jedes von den Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbildenden Teilen einschließt: – eine Gaszuführungsverteilung (60, 61, 62, 66, 67; 440, 442, 450, 452) zum Verteilen des Reaktionsgases auf die einzelnen Einheitszellen (20), – eine Abgassammelleitung (63, 64, 65, 68, 69; 441, 443, 451, 453) zum Sammeln des Reaktionsgases, das von den einzelnen Einheitszellen (20) abgegeben wird, und – die Vielzahl von inneren Durchlässen der Zelle innerhalb jeder von den Einheitszellen (20) zum Herstellen der Verbindung zwischen der Gaszuführungsverteilung (60, 61, 62, 66, 67; 440, 442, 450, 452) und der Abgassammelleitung (63, 64, 65, 68, 69; 441, 443, 451, 453) und zum Zuführen und Abgeben des Reaktionsgases in zumindest einem Teil der Elektrolytschicht (31) und der Elektrode (32), wobei zumindest auf der einen Fläche des Gasseparators (430) der Einheitszellen (20) die Vielzahl von inneren Durchlässen der Zelle angeordnet sind, welche bezüglich eines Fluids gegeneinander abgedichtet sind, eine Durchlaßverbindung (70, 470) zum Verbinden eines Endabschnitts der Abgassammelleitung (63, 64, 65, 68, 69; 441, 443, 451, 453), die in einem von den Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbildenden Teilen eingeschlossen ist, und eines Endabschnitts der Gaszuführungsleitung (60, 61, 62, 66, 67; 440, 442, 450, 452), die in einem anderen von den Mehrfachverteilungsdurchlässen ausbildenden Teilen eingeschlossen ist, an einem Endabschnitt der Stapelanordnung (15), wobei das Reaktionsgas der Reihe nach durch die Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbildenden Teile (60 bis 69; 440 bis 443, 450 bis 453) strömt, während es durch die Durchlaßverbindung (70; 470) strömt.
  7. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas ist und eine Strömungsrichtung des Oxidationsgases innerhalb der inneren Durchlässe der Zelle die gleiche ist wie eine Wirkrichtung der Schwerkraft.
  8. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsverteilung (60, 61, 62, 66, 67; 440, 442, 450, 452) allen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle gleichzeitig Reaktionsgas zuführt, und die Abgassammelleitung (63, 64, 65, 68, 69; 441, 443, 451, 453) das von allen inneren Gasdurchlässen der Einheitszelle abgegebene Reaktionsgas sammelt.
  9. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsverteilung (60, 61, 62, 66, 67) und die Abgassammelleitung (63, 64, 65, 68, 69) in einer Anordnung von Röhren ausgebildet ist, die einzeln im Innern Abschirmteile (96) zum Versperren der Strömung des Gases durch diese hindurch haben, wobei die Röhrenanordnung die Funktionen der Gaszuführungsverteilung und der Abgassammelleitung an den strömungsaufwärts gelegenen und den strömungsabwärts gelegenen Enden der Abschirmteile (96) umkehrt.
  10. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Stapelanordnungen (15) angeordnet sind und das Reaktionsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, unterteilt wird, bevor es den Stapelanordnungen zugeführt wird.
  11. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Stapelanordnungen (15) angeordnet sind und das Reaktionsgas, das den Stapelanordnungen zugeführt wird, im Verlauf des Durchgangs durch die Mehrfachverteilungsdurchlässe ausbildenden Teile hindurchgelangt, die in zumindest einer anderen Stapelanordnung ausgebildet sind.
  12. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen inneren Durchlässe der Zelle die Gaszuführungsverteilung (450, 452) und die Abgassammelleitung (451, 453) an beiden Enden der U-Form verbinden und die Gaszuführungsverteilung (450, 452) und die Abgassammelleitung (451, 453) aneinander angrenzend entlang einer Fläche der Stapelanordnung angeordnet sind.
  13. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 12, die weiter aufweist: – einen Kühlmitteldurchlaß, der sich durch die Brennstoffzelle erstreckt, zum Durchlassen eines Kühlmittels durch diesen hindurch, und – eine Kühlmittelverteilung (457, 458), die in der Schichtungsrichtung der Stapelanordnung (15) jeweils zum Verteilen des Kühlmittels auf den Kühlmitteldurchlaß und Sammeln des durch den Kühlmitteldurchlaß hindurchgelangten Kühlmittels ausgebildet ist, wobei die Kühlmittelverteilung (457, 458) angrenzend an die Gaszuführungsverteilung (450, 452) und die Abgassammelleitung (451, 453) angeordnet und von den inneren Durchlässen der Zelle um eine Entfernung getrennt ist, die größer ist als die zwischen der Gaszuführungsverteilung (450, 452) und der Abgassammelleitung (451, 453).
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