DE10226962B4

DE10226962B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10226962B4
Application number: DE10226962A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Toyota Inagaki; Mikio Toyota Wada; Yuichi Toyota Yagami; Tsuyoshi Toyota Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: US20020192532A1; JP2003077499A; US6794079B2; JP4151314B2; CA2390616C; DE10226962A1; CA2390616A1

Abstract

Brennstoffzelle (10), die einen Energieerzeugungsabschnitt hat, mit:
einer Membran-Elektrodenanordnung; und
einem Paar Separatoren (18), wobei
die Membran-Elektrodenanordnung zwischen dem Paar Separatoren (18) enthalten ist,
jeder Separator (18) ein erstes Bauteil (18A, 18B) und zweites Bauteil (18C, 18D) enthält,
jedes zweite Bauteil (18C, 18D) eine Perforierung an einem Abschnitt (29) davon hat, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle (10) entspricht,
jedes erste Bauteil (18A, 18B) einen Gasdurchgangsabschnitt hat, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle (10) entspricht,
jedes erste Bauteil (18A, 18B) und zweite Bauteil (18C, 18D) gegenüberliegende Abschnitte (30, 31) haben, die auf gegenüberliegenden Seiten ihres Abschnitts (29) angeordnet sind, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle (10) entspricht,
jeder gegenüberliegende Abschnitt (30, 31) einen Verteilerabschnitt enthält, der darin ausgebildet ist, und der von dem Gasdurchgangsabschnitt in einer Richtung, senkrecht zu einer Richtung versetzt ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet, und
jedes zweite Bauteil...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Separatorstruktur einer Brennstoffzelle.
Ein PEFC-(Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-)Gerät enthält einzelne Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle enthält eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) und einen Separator. Die Membran-Elektrodenanordnung enthält eine Elektrolytmembran und ein Paar Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran angeordnet sind. Das Paar Elektroden enthält eine Anode, die auf einer Seite der Membran vorgesehen und aus einer ersten Katalysatorschicht aufgebaut ist, und eine Kathode, die auf der anderen Seite der Membran vorgesehen und aus einer zweiten Katalysatorschicht aufgebaut ist. Eine erste Diffusionsschicht kann zwischen der ersten Katalysatorschicht und einem ersten Separator vorgesehen sein, und eine zweite Diffusionsschicht kann zwischen der zweiten Katalysatorschicht und einem Separator vorgesehen sein. Der erste Separator hat einen Durchgang, der zum Zuführen eines Brennstoffgases (Wasserstoff) zu der Anode darin ausgebildet ist, und der zweite Separator hat einen Durchgang, der für ein Oxidansgas (Sauerstoff, normalerweise Luft) zu der Kathode darin vorgesehen ist. Eine Vielzahl Brennstoffzellen sind zum Ausbilden einer Baugruppe geschichtet. Eine Anzahl Baugruppen werden gestapelt, und elektrische Anschlüsse, elektrische Isolatoren und Endplatten werden an gegenüberliegenden Enden der Stapel Baugruppen angeordnet, um einen Stapel Brennstoffzellen aufzubauen. Nach dem Festspannen des Stapels Brennstoffzellen zwischen den gegenüberliegenden Endplatten in einer Brennstoffzellenstapelrichtung werden die Endplatten an einem Befestigungsbauteil (bspw. einer Spannplatte), das sich in einer Brennstoffzellenstapelrichtung außerhalb des Stapels erstreckt, durch Bolzen verbunden, die sich senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung erstrecken.
In der PEFC wird an der Anode Wasserstoff zu positiv geladenen Wasserstoffionen (d.h. Protonen) und Elektronen umgewandelt. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytmembran zu der Kathode, wo die Wasserstoffionen mit zugeführtem Sauerstoff und Elektroden reagieren (die an einer Anode der benachbarten Membran-Elektrodenanordnung gebildet und durch einen Separator zu der Kathode der augenblicklichen Membran-Elektrodenanordnung bewegt werden), um Wasser wie folgt auszubilden:
An der Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e^-
An der Kathode : 2H⁺ + 2e^- + (1/2)O₂ → H₂O
Um die Brennstoffzellen zu kühlen, deren Temperatur aufgrund der Wärme, die bei der Wasserherstellungsreaktion erzeugt wird, und einer Jouleschen Wärme ansteigt, wird ein Kühlwasserdurchgang an jeder Zelle oder an jeder Baugruppe ausgebildet, und ein Kühlwasser wird durch den Kühlwasserdurchgang geleitet.

Die internationale Patentschrift Nr. WO 96/37920 A1 offenbart in 11 der Schrift einen Brennstoffzellenapparat, der aus einer Anzahl geschichteter Brennstoffzellen ausgebildet ist, wobei jede ein Paar Separatoren und eine Membran-Elektrodenanordnung enthält, die zwischen dem Paar Separatoren enthalten ist. Der Separator enthält ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil. Das zweite Bauteil hat an einem Abschnitt davon eine Perforierung, die einem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle entspricht. Das erste Bauteil hat an einem Abschnitt davon einen Gasdurchgangsabschnitt, der einem Energieerzeugungsabschnitt der Brenn stoffzelle entspricht. Ein Verteilerabschnitt ist in dem ersten Bauteil und in dem zweiten Bauteil ausgebildet, und der Verteilerabschnitt ist versetzt zu dem Gasdurchgangsabschnitt ausgebildet.

Weitere Brennstoffzellen sind aus der EP 0 940 868 A2 , der WO 00/31815 A1, der DE 35 16 758 C2 , der US 5 879 826 A sowie der JP 2000 113 899 A bekannt.

Jedoch besteht bei der eingangs beschriebenen herkömmlichen Brennstoffzelle das folgende Problem:
Da ein Reaktionsteilnehmergas von dem Verteilerabschnitt versetzt zu dem Gasdurchgangsabschnitt zu dem Gasdurchgangsabschnitt zugeführt wird, kann das Gas nicht gleichmäßig zu dem Gasdurchgangsabschnitt zugeführt werden. Als Folge daraus kann keine hohe Energieausgabe an dem Abschnitt des Gasdurchgangsabschnitts erwartet werden, wo eine unzureichende Gasmenge zugeführt wird, und die Brennstoffzelle kann nicht effektiv betrieben werden.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, in der ein Reaktionsteilnehmergas von einem Verteilerabschnitt zu einem Gasdurchgangsabschnitt gleichmäßig zugeführt werden kann, obwohl der Verteilerabschnitt von dem Gasdurchgangsabschnitt versetzt ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 gelöst.

Die obige Aufgabe sowie Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht und gewürdigt.
1 ist eine Vorderansicht eines Stapels Brennstoffzellen gemäß der Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht einer Membran-Elektrodenanordnung der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung.
3 ist eine Perspektivansicht, die einen zerlegten Zustand der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung zeigt.
4 ist eine Draufsicht der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung.
5 ist eine Draufsicht eines zweiten Bauteils eines Separators der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung.
6 ist eine Schnittansicht entlang A-A aus 4.
7 ist eine Schnittansicht entlang B-B aus 4.
8 ist eine Schnittansicht entlang D-D aus 4.
Eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 8 beschrieben.
Eine Brennstoffzelle 10 gemäß der Erfindung ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-(folgend PEFC-)Typ. Die Brennstoffzelle 10 ist beispielsweise in einem Fahrzeug montiert. Jedoch kann die Brennstoffzelle 10 für etwas anderes als ein Fahrzeug verwendet werden.
Wie in 1 bis 3 dargestellt ist, enthält die PEFC 10 einen Stapel einzelner Brennstoffzellen 23. Jede Brennstoffzelle enthält eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) und einen Separator 18. Die Membran-Elektrodenanordnung enthält eine Elektrolytmembran 11 und ein Paar Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Membran 11 angeordnet sind. Das Paar Elektroden enthält (a) eine Anode 14, die auf einer Seite der Membran vorgesehen ist, und die eine erste Katalysatorschicht 12 enthält, und (b) eine Kathode 17, die auf der anderen Seite der Membran vorgesehen ist, und die eine zweite Katalysatorschicht 15 enthält. Eine erste Diffusionsschicht 13 kann zwischen der ersten Katalysatorschicht 12 und einem Separator 18A angeordnet sein, der auf einer Anodenseite der Membran-Elektrodenanordnung vorgesehen ist, und eine zweite Diffusionsschicht 16 kann zwischen der zweiten Katalysatorschicht 15 und einem Separator 18B angeordnet sein, der auf einer Kathodenseite der Membran-Elektrodenanordnung vorgesehen ist. Der Separator 18A enthält einen Brennstoffgas-(Wasserstoff-)Durchgang 27, der an einer ersten, der Membran-Elektrodenanordnung gegenüberliegenden Fläche ausgebildet ist, und einen Kühlmittel-(Kühlwasser-)Durchgang 26, der an einer zweiten, gegenüberliegenden Fläche ausgebildet ist. Der Separator 18B enthält einen Oxidansgas-(Sauerstoff-, normalerweise Luft-)Durchgang 28, der an einer ersten, der Membran-Elektrodenanordnung gegenüberliegenden Fläche ausgebildet ist, und einen Kühlmittel-(Kühlwasser-)Durchgang 26, der an einer zweiten, gegenüberliegenden Fläche ausgebildet ist. Zumindest eine Brennstoffzelle bildet eine Baugruppe 19 aus, eine Anzahl Baugruppen werden geschichtet, und elektrische Anschlüsse 20, elektrische Isolatoren 21 und Endplatten 22 werden an gegenüberliegenden Enden des Stapels Baugruppen angeordnet, um den Stapel Brennstoffzellen 23 auszubilden. Nach einem Festziehen des Stapels Brennstoffzellen 23 zwischen den Endplatten 22 in einer Brennstoffzellenstapelrichtung, sind die Endplatten 22 an dem Befestigungsbauteil 24 (beispielsweise an einer Spannplatte), das sich in der Brennstoffstapelrichtung außerhalb des Sta pels Brennstoffzellen erstreckt, durch Bolzen 25 oder Muttern verbunden.
Der Kühlmitteldurchgang 26 ist an jeder Brennstoffzelle oder an jeder Baugruppe vorgesehen.
Die Katalysatorschichten 12 und 15 enthalten Platin (Pt), Kohlenstoff (C) und ein Elektrolyt. Die Diffusionsschichten 13 und 16 enthalten Kohlenstoff (C) und haben eine Gaspermeabilität.
Der Separator 18 der Brennstoffzelle enthält das erste Bauteil 18A, 18B und das zweite Bauteil 18C, 18D. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil werden getrennt voneinander hergestellt. Das zweite Bauteil 18C, 18D hat eine Perforierung (Loch) an einem Abschnitt 29 des Separators 18, der einem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle entspricht (wo die Membran-Elektrodenanordnung vorhanden ist, und wo das Reaktionsteilnehmergas zugeführt wird, um elektrische Energie zu erzeugen), und ist in der Form eines Rahmens hergestellt.
Das erstes Bauteil 18A und das zweite Bauteil 18C sind auf der Seite der Anode der Membran-Elektrodenanordnung angeordnet, und das erste Bauteil 18A trennt das Brennstoffgas (Wasserstoff) von dem Kühlwasser. Das erste Bauteil 18B und das zweite Bauteil 18D sind auf der Seite der Kathode der Membran-Elektrodenanordnung angeordnet, und das erste Bauteil 18B trennt das Oxidansgas (Luft) von dem Kühlwasser.
Das erste Bauteil 18A, 18B des Separators 18 ist aus Metall gefertigt und kann als ein Metallseparator bezeichnet werden. Das zweite Bauteil 18C, 18D des Separators 18 ist aus synthetischem Harz gefertigt und kann als ein Synthetikharzrahmen bezeichnet werden.
Der Metallseparator 18A, 18B besitzt keine Gaspermeabilität. Der Metallseparator 18A, 18B ist aus einer Metallplatte (beispielsweise aus einer nichtrostenden Stahlplatte) gefertigt, die mit Metall beschichtet ist, das eine gute elektrische Leitfähigkeit hat (beispielsweise Nickel).
Der Metallseparator 18A, 18B enthält einen elektrischen Stromdurchgang, durch den sich Elektronen von der Anode einer Brennstoffzelle zu der Kathode einer benachbarten Brennstoffzelle bewegen.
Wie in 3 dargestellt ist, ist die Membran-Elektrodenanordnung durch die Separatoren 18 enthalten. Wenn die Membran-Elektrodenanordnung und die Separatoren 18 geschichtet werden, wird der Synthetikharzrahmen 18C zwischen dem Metallseparator 18A und der Membran-Elektrodenanordnung angeordnet, und wird der Synthetikharzrahmen 18D zwischen dem Metallseparator 18B und der Membran-Elektrodenanordnung angeordnet. Als ein Folge daraus ist an einem Rahmenabschnitt der Synthetikharzrahmen 18C und 18D die Schichtreihenfolge in der Reihenfolge des Metallseparators 18A, des Synthetikharzrahmens 18C, der Membran-Elektrodenanordnung, des Synthetikharzrahmens 18D und des Metallseparators 18B. Da die Synthetikharzrahmen 18C und 18D eine Perforierung (Loch) an dem zentralen Abschnitt, an dem Lochabschnitt der Synthetikharzrahmen 18C und 18D haben, wird die Membran-Elektrodenanordnung zwischen den Metallseparatoren 18A und 18B direkt aufgenommen. Der Abschnitt, wo die Membran-Elektrodenanordnung mit den Diffusionsschichten auf den gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektrodenanordnung direkt zwischen den Metallseparatoren 18A und 18B enthalten ist, bildet den Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle aus, und der Abschnitt des Separators 18, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle entspricht, bildet einen Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt 29 des Separators 18 aus. Der Separator 18 enthält gegenüberliegende Abschnitte 30 und 31, die auf gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts angeordnet sind.
Wie in 8 dargestellt ist, ist an einer ersten, der Membran-Elektrodenanordnung gegenüberliegenden Fläche des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Metallseparators 18A ein Gasdurchgangsabschnitt in dem Separator ausgebildet, und an dem Gasdurchgangsabschnitt des Metallseparators 18A ist ein Brennstoffgasdurchgang 27 ausgebildet. An einer zweiten gegenüberliegenden Fläche des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Metallseparators 18A ist ein Kühlwasserdurchgang 26 in dem Separator 18 ausgebildet. Gleichermaßen ist an einer ersten, der Membran-Elektrodenanordnung gegenüberliegenden Fläche des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Metallseparators 18B ein Gasdurchgangsabschnitt in dem Separator ausgebildet, und an dem Gasdurchgangsabschnitt des Metallseparators 18B ist ein Oxidansgasdurchgang (Luftdurchgang) 28 in dem Separator ausgebildet. An einer zweiten gegenüberliegenden Fläche des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Metallseparators 18B ist ein Kühlwasserdurchgang 26 in dem Separator 18 ausgebildet.
Wie in 8 dargestellt ist, fallen der Brennstoffgasdurchgang 27, der auf einer Seite der Membran-Elektrodenanordnung einer Brennstoffzelle angeordnet ist, und der Oxidansgasdurchgang 28, der auf der anderen Seite der Membran-Elektrodenanordnung der gleichen Brennstoffzelle angeordnet ist, in einer Position zusammen und sind durch die Membran-Elektrodenanordnung voneinander getrennt.
Der Kühlwasserdurchgang 26, der an der zweiten gegenüberliegenden Fläche des Metallseparators 18A einer Brennstoffzelle in dem Metallseparator 18A ausgebildet ist, und der Kühlwasserdurchgang 26, der an der zweiten gegenüberliegenden Fläche des Metallseparators 18B einer benachbarten Brennstoffzelle in dem Metallseparator 18B ausgebildet ist, sind in der Brennstoffzellenstapelrichtung, ohne voneinander getrennt zu werden, zu einem Stück ausgebildet.
Wie in 4 dargestellt ist, wird an dem Gasdurchgangsabschnitt (dem Abschnitt, wo der Gasdurchgang 27, 28 ausgebildet ist) der Metallseparatoren 18A und 18B sowohl der Brennstoffgasdurchgang 27 als auch der Oxidansgasdurchgang 28 zwischen gegenüberliegenden Abschnitten 30 und 31 U-förmig umgelenkt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Separators 18 angeordnet sind. Aufgrund dieser Struktur ist die Länge des Gasdurchgangs 27, 28 derart, dass, wenn die gleiche Gasmenge zu der Membran-Elektrodenanordnung zugeführt wird, die Gasströmungsgeschwindigkeit hoch wird. Als Folge daraus erhöht sich die Energieausgabe der Brennstoffzelle, und ein Produktwasser wird sich kaum in dem Gasdurchgang 27, 28 sammeln.
Ausführlicher ausgedrückt, erstreckt sich der Brennstoffgasdurchgang 27 zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten 30 und 31 durch U-förmige Umlenkung zweimal oder öfter, und hat eine ungerade Anzahl sich gerade erstreckender Abschnitte 27a, die sich parallel zueinander erstrecken, und eine gerade Anzahl, gleich der ungeraden Anzahl minus 1, U-förmiger Abschnitte 27b. Gleichermaßen erstreckt sich der Oxidansgasdurchgang 28 zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten 30 und 31 durch U-förmige Umlenkung zweimal oder öfter und hat eine ungerade Anzahl sich gerader erstrecken der Abschnitte 28a, die sich parallel zueinander erstrecken, und eine gerade Anzahl, gleich der ungeraden Anzahl minus eins, U-förmiger Abschnitte 28b. Eine Vielzahl Brennstoffgasdurchgänge 27 sind derart ausgebildet, um parallel zueinander zu sein. Gleichermaßen ist eine Vielzahl Oxidansgasdurchgänge 28 derart ausgebildet, um parallel zueinander zu sein.
Der Kühlwasserdurchgang 26, der in dem Separator an der zweiten gegenüberliegenden Fläche des Separators 18 ausgebildet ist, erstreckt sich gerade zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten 30 und 31 des Separators 18 ohne U-förmige Umlenkung. Der Kühlmitteldurchgang 26 hat keinen U-förmigen Abschnitt.
Ein Einlass 27c zu dem Brennstoffgasdurchgang 27, der in dem Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt 29 des Separators 18 ausgebildet ist, und ein Auslass 27d von dem Brennstoffgasdurchgang 27, der in dem Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt 29 des Separators 18 ausgebildet ist, sind auf gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Separators 18 angeordnet. Gleichermaßen sind ein Einlass 28c zu dem Oxidansgasdurchgang 28, der in dem Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt 29 des Separators 18 ausgebildet ist, und ein Auslass 28d von dem Oxidansgasdurchgang 28, der in dem Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt 29 des Separators 18 ausgebildet ist, auf gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Separators 18 angeordnet.
Der Einlass 27c zu dem Brennstoffgasdurchgang 27 und der Einlass 28c zu dem Oxidansgasdurchgang 28 sind auf gegenü berliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Separators 18 angeordnet.
Wie in 5 gezeigt ist, werden Verteilerabschnitte (ein Abschnitt, wo einer oder jeder der Kühlwasserverteiler, Brennstoffgasverteiler und Oxidansgasverteiler ausgebildet ist oder sind) in den gegenüberliegenden Abschnitten 30 und 31 der Metallseparatoren 18A und 18B und der Synthetikharzrahmen 18C und 18D ausgebildet, die auf gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 des Separators 18 angeordnet sind. In den Verteilerabschnitten sind ein Kühlwasserverteiler 32, ein Brennstoffgasverteiler 33 und ein Oxidansgasverteiler 34 ausgebildet.
Der Kühlwasserverteiler 32 enthält einen einlassseitigen Kühlwasserverteiler 32a und einen auslassseitigen Kühlwasserverteiler 32b. Der Brennstoffgasverteiler 33 enthält einen einlassseitigen Brennstoffgasverteiler 33a und einen auslassseitigen Brennstoffgasverteiler 33b. Der Oxidansgasverteiler 34 enthält einen einlassseitigen Oxidansgasverteiler 34a und einen auslassseitigen Oxidansgasverteiler 34b. In einer der gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 sind der einlassseitige Kühlwasserverteiler 32a, der auslassseitige Brennstoffgasverteiler 33b und der einlassseitige Oxidansgasverteiler 34a ausgebildet, und in dem anderen der gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 sind der auslassseitige Kühlwasserverteiler 32b, der einlassseitige Brennstoffgasverteiler 33a und der auslassseitige Oxidansgasverteiler 34b vorgesehen.
Der Brennstoffgasverteiler 33 ist von dem Gasdurchgangsabschnitt, wo der Brennstoffgasdurchgang 27 angeordnet ist, in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, versetzt.
Ein Mittelpunkt des Brennstoffgasverteilers 33 ist in der Richtung senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, von einem Mittelpunkt in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, des Gasdurchgangsabschnitts versetzt.
Gleichermaßen ist der Oxidansgasverteiler 34 von dem Gasdurchgangsabschnitt, wo der Oxidansgasdurchgang 28 angeordnet ist, in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, versetzt. Ein Mittelpunkt des Oxidansgasverteilers 34 ist in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, von einem Mittelpunkt in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, des Gasdurchgangsabschnitts versetzt.
Wie in 5 dargestellt ist, ist in jedem der gegenüberliegenden Abschnitte des Synthetikharzrahmens 18C, 18D (das zweite Bauteil des Separators 18), ein Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 ausgebildet, um eine Fluidverbindung zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Gasdurchgangsabschnitt auszubilden. Der Gasdurchgangsverbindungsabschnitt erstreckt sich in einer Richtung, die senkrecht zu einer Richtung ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet.
In dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 ist ein Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 ausgebildet, um eine Richtung eines Gasstromes an dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 zu der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, auszurichten, und um einen Gasstrom in und von dem Gasdurchgangsabschnitt gleichmäßig in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, auszubilden. Der Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 erstreckt sich in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung, die die gegenüberliegenden Abschnitte verbindet. Der Gasstromeinstellabschnitt 35 vergrößert ein Strömungsmuster des Gases von dem einlassseitigen Gasverteiler 33a, 34a zu einer ganzen Breite des Gasdurchgangsabschnitts und bewirkt, dass das Gas gleichmäßig zu dem Gasdurchgangsabschnitt strömt. Der Gasstromeinstellabschnitt 36 lässt ein Strömungsmuster des Gases von dem Gasdurchgangsabschnitt zu einer Länge des auslassseitigen Gasverteilers 33b, 34b schrumpfen, und bewirkt, dass das Gas in den auslassseitigen Gasverteiler 33b, 34b herausströmt.
Die Gasstromeinstellabschnitte 35, 36 haben zueinander eine gleichartige Struktur. Ausführlicher ausgedrückt, enthält der Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 eine Anzahl Vorsprünge, die durch Aufteilen zumindest einer kontinuierlichen Rippe (zwei Rippen in dem Ausführungsbauspiel aus 5), die sich in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung erstrecken, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 (in einer Längsrichtung der Rippe) verbindet, zu einer Vielzahl kurzer Rippen ausgebildet sind, die mit gleichen Abständen angeordnet sind. Wenn das Gas in dem Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 strömt, wird der Gasstrom in der Richtung der Reihe der kurzen Rippen ausgerichtet, und dann tritt das Gas durch Hohlräume zwischen den kurzen Rippen, so dass der Gasstrom gleichmäßig in der Richtung, senkrecht zu einer Richtung ausgebildet wird, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet.
In dem Synthetikharzrahmen 18C, 18D (das zweite Bauteil des Separators 18) ist ein Dichtungsabschnitt 38 (ein schraffierter Abschnitt aus 5) vorgesehen, wo ein Kleber aufgetragen wird, um zwischen dem Synthetikharzrahmen 18C, 18D und einem benachbarten Bauteil (dem Metallseparator oder dem benachbarten Synthetikharzrahmen) abzudichten, um den Kühlwasserverteiler 32, den Brenngasverteiler 33 und den Oxidansgasverteiler 34 voneinander abzudichten. Eine Gummidichtung 43 (die in 4 durch eine doppeltgepunktete Linie 43 gezeigt ist) ist zwischen benachbarten Brennstoffzellen vorgesehen, so dass der Kühlwasserverteiler 32, der Brennstoffgasverteiler 33 und der Oxidansgasverteiler 34 voneinander abgedichtet sind.
Wie in 6 und 7 dargestellt ist, ist eine Stufe 39 in dem Synthetikharzrahmen 18c, 18D (dem zweiten Bauteil des Separators) zum Halten eines Klebers an einem Bereich innerhalb der Stufe und zum Verhindern, dass der Kleber von einem mit Kleber beschichteten Abschnitt zu einem nicht mit Kleber beschichteten Abschnitt heraus gedrückt wird, an einer Grenze zwischen dem mit Kleber beschichteten Abschnitt und dem nicht mit Kleber beschichteten Abschnitt ausgebildet, der tiefer als der nicht mit Kleber beschichtete Abschnitt ist.
Wie in 5 bis 7 dargestellt ist, hat der Synthetikharzrahmen 18C, 18D (das zweite Bauteil des Separators) eine Vielzahl Ausbuchtungen 40, die darin ausgebildet sind, um eine Gasdurchgangshöhe an dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 konstant zu halten. Die Ausbuchtungen 40 sind an einem Boden des Gasdurchgangsverbindungsabschnitts 37 ausgebildet und stehen in Richtung auf den Metallseparator 18A, 18B hervor. Die Ausbuchtungen 40 sind zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 und dem Verteilerabschnitt und in einer Reihe angeordnet.
Wenn die Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenstapelrichtung geschichtet und festgezogen wird, verhindert die Ausbuchtung 40, dass der Metallrahmen 18A, 18B den Synthetik harzrahmen 18C, 18D zu nahe kommt, wodurch eine Gasdurchgangshöhe des Gasdurchgangsverbindungsabschnitts 37 bei einer normalen Höhe gehalten wird.
Der Synthetikharzrahmen 18C, 18D (das zweite Bauteil des Separators) hat Gasstromwiderstandsabschnitte 41 und 42, die darin an den Gasdurchgangsverbindungsabschnitten 37 ausgebildet sind, die in den gegenüberliegenden Abschnitten 30 und 31 ausgebildet sind, die auf gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 angeordnet sind. Der Gasstromwiderstandsabschnitt 41 ist auf einer Gaseinlassseite angeordnet, und der Gasstromwiderstandsabschnitt 42 ist auf einer Gasauslassseite angeordnet. Ein Gasstromwiderstand des Gasstromwiderstandsabschnitts 42 auf der Gasauslassseite wird größer als ein Gasstromwiderstand des Gasstromwiderstandsabschnitts 41 auf der Gaseinlassseite gewählt. Der Gasstromwiderstand des Gasstromwiderstandsabschnitts 41 auf der Gaseinlassseite muss nicht vorgesehen sein. Der Gasstromwiderstandsabschnitt 41, 42 enthält eine Vielzahl Vorsprünge, die in einen Gasstromdurchgang hervorstehen, und erzeugt einen Stromwiderstand für ein Gas, wenn das Gas zwischen die Vorsprünge tritt.
Aufgrund des Gasstromwiderstandsabschnitts 41, 42 wird ein Druckunterschied zwischen einem Druck an einem Einlass zu dem Gasdurchgangsabschnitt und ein Druck an einem Auslass von dem Gasdurchgangsabschnitt des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts 29 klein. Als Folge daraus wird die einheitliche Verteilung des Gases zu dem Gasdurchgangsabschnitt verbessert.
Ein Hohlraum (Abstand C) zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 und einer Umgebung der Perforierung (Loch) des Synthetikharzrahmens 18C, 18D wird ausgewählt, um aus reichend zu sein, um ein Gasaustreten zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 und einem Umfang der Perforierung an Abschnitten des Umfangs der Perforierung mit Ausnahme der Gaseinlässe zu und der Gasauslässe von dem Gasdurchgangsabschnitt zu verhindern.
Aufgrund der obigen Struktur wird der Gasstrom zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 und dem Gasdurchgang 27, 28, der in dem Gasdurchgangsabschnitt ausgebildet ist, über die ganze Länge des Gasstromeinstellabschnitts 35, 36 gleichmäßig ausgebildet.
Gemäß der Erfindung werden die folgenden technischen Vorteile erzielt:
Erstens, da der Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 in dem zweiten Bauteil des Separators 18 (des Synthetikharzrahmens 18C, 18D) zur Fluidverbindung des Verteilerabschnitts und des Gasdurchgangsabschnitts ausgebildet ist, und da der Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 in dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 ausgebildet ist, kann das Gas, das von dem Verteilerabschnitt zu dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 zugeführt wird, zu einer Richtung, senkrecht zu einer Richtung geführt werden, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, und kann von dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt 37 zu dem Gasdurchgangsabschnitt in der Richtung, senkrecht zu der Richtung gleichmäßig zugeführt werden, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet, trotzdem der Verteilerabschnitt von dem Gasdurchgangsabschnitt in der Richtung, senkrecht zu der Richtung versetzt ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte 30 und 31 verbindet.
Zweitens, für den Fall, dass das zweite Bauteil 18C, 18D des Separators aus synthetischem Harz gefertigt ist, können derartige komplizierte Strukturen, wie z.B. der Gasstromeinstellabschnitt 35 und 36, der aus der Rippe, dem Dichtungsabschnitt 38, der Stufe 39 und der Ausbuchtung 40 ausgebildet ist, leicht hergestellt werden.
Drittens, für den Fall, dass die Stufe 39 in dem zweiten Bauteil zum Halten eines Klebers ausgebildet ist, kann der Kleber, der auf dem zweiten Bauteil 18C, 18D zum Kleben zwischen dem zweiten Bauteil und einem benachbarten Bauteil aufgetragen ist, an einem Bereich innerhalb der Stufe 39 gehalten werden.
Viertens, für den Fall, dass die Ausbuchtung 40 in dem zweiten Bauteil 18C, 18D ausgebildet ist, kann die Gasdurchgangshöhe des Gasdurchgangsverbindungsabschnitts 37 bei einer normalen Höhe gehalten werden, wenn die Brennstoffzellen in der Brennstoffzellenstapelrichtung festgezogen werden.
Fünftens, für den Fall, dass der Gasstromwiderstandsabschnitt 41, 42 in dem zweiten Bauteil 18C, 18D ausgebildet ist, verringert sich ein Druckunterschied zwischen dem Einlass und dem Auslass des Gasdurchgangsabschnitts. Als Folge daraus wird die Gasverteilung zu dem Gasdurchgangsabschnitt gleichmäßig ausgebildet.
Sechstens, für den Fall, dass ein ausreichender Raum (C) zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt 35, 36 und einer Umgebung der Perforierung des zweiten Bauteils vorgesehen ist, kann ein Gasaustritt zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt und der Perforierung des zweiten Bauteils verhindert werden.
Eine Brennstoffzelle (10) enthält einen Separator (18), der ein erstes Bauteil (18A, 18B), das aus Metall gefertigt ist, und ein zweites Bauteil (18C, 18D) enthält, das aus synthetischem Harz gefertigt ist. Der Separator (18) hat einen Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt (29), der einen Gasdurchgangsabschnitt und gegenüberliegende Abschnitte (30, 31) enthält, die an gegenüberliegenden Seiten des Energieerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts (29) angeordnet sind. Ein Verteilerabschnitt ist in den gegenüberliegenden Abschnitten (30, 31) ausgebildet. Der Verteilerabschnitt ist von dem Gasdurchgangsabschnitt versetzt. Ein Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) ist in dem zweiten Bauteil (18C, 18D) ausgebildet und stellt zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Gasdurchgangsabschnitt eine Fluidverbindung her. Ein Gasstromeinstellabschnitt (35, 36) ist zum Ausrichten einer Richtung eines Gasstromes an dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) in eine Richtung ausgebildet, die senkrecht zu einer Richtung ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet, und zum Erzeugen eines gleichmäßigen Gasstromes in und von dem Gasdurchgangsabschnitt in der Richtung ausgebildet, die senkrecht zu einer Richtung ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet.

Claims

Brennstoffzelle (10), die einen Energieerzeugungsabschnitt hat, mit: einer Membran-Elektrodenanordnung; und einem Paar Separatoren (18), wobei die Membran-Elektrodenanordnung zwischen dem Paar Separatoren (18) enthalten ist, jeder Separator (18) ein erstes Bauteil (18A, 18B) und zweites Bauteil (18C, 18D) enthält, jedes zweite Bauteil (18C, 18D) eine Perforierung an einem Abschnitt (29) davon hat, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle (10) entspricht, jedes erste Bauteil (18A, 18B) einen Gasdurchgangsabschnitt hat, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle (10) entspricht, jedes erste Bauteil (18A, 18B) und zweite Bauteil (18C, 18D) gegenüberliegende Abschnitte (30, 31) haben, die auf gegenüberliegenden Seiten ihres Abschnitts (29) angeordnet sind, der dem Energieerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle (10) entspricht, jeder gegenüberliegende Abschnitt (30, 31) einen Verteilerabschnitt enthält, der darin ausgebildet ist, und der von dem Gasdurchgangsabschnitt in einer Richtung, senkrecht zu einer Richtung versetzt ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet, und jedes zweite Bauteil (18C, 18D) einen Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) enthält, der darin ausgebildet ist, und eine Fluidverbindung zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Gasdurchgangsabschnitt herstellt, wobei der Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) einen Gasstromeinstellabschnitt (35, 36) hat, um einen Gasstrom an dem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet, auszurichten, und um den Gasstrom in und von dem Gasdurchgangsabschnitt gleichmäßig in dieser Richtung auszubilden.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Bauteil (18A, 18B) aus Metall gefertigt ist, und wobei das zweite Bauteil (18C, 18D) aus synthetischem Harz gefertigt ist.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei ein Kleber auf dem zweiten Bauteil (18C, 18D) aufgetragen ist, um zwischen dem zweiten Bauteil (18C, 18D) und einem Bauteil abzudichten, das gegenüber dem zweiten Bauteil (18C, 18D) angeordnet ist, und wobei das zweite Bauteil (18C, 18D) eine Stufe (39) hat, die darin ausgebildet ist, um den Kleber an einem Bereich innerhalb der Stufe (39) zu halten.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Bauteil (18C, 18D) einen konvexen Vorsprung (40) hat, der darin ausgebildet ist, um die Gasdurchgangshöhe des Gasdurchgangsverbindungsabschnitts (37) bei einer normalen Höhe zu halten.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Bauteil (18C, 18D) einen Gasstromwiderstandsabschnitt (41, 42) hat, der darin an einem Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) ausgebildet ist, der zumindest auf einer Gasauslassseite von dem Gasdurchgangsabschnitt angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei ein Hohlraum (C) zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt (35, 36) und einer Umgebung der Perforierung des zweiten Bauteils (18C, 18D) vorgesehen ist, und wobei der Raum (C) ausgewählt ist, um ausreichend zu sein, um einen Gasaustritt zwischen dem Gasstromeinstellabschnitt (35, 36) und der Perforierung des zweiten Bauteils (18C, 18D) zu verhindern.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei sich der Gasdurchgangsverbindungsabschnitt (37) in der Richtung erstreckt, die zu einer Richtung senkrecht ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei sich der Gastromeinstellabschnitt (35, 36) in der Richtung erstreckt, die zu einer Richtung senkrecht ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Gasstromeinstellabschnitt (35, 36) eine Vielzahl Vorsprünge enthält, die durch Aufteilen zumindest einer kontinuierlichen Rippe ausgebildet werden, die sich in der Richtung erstreckt, die senkrecht zu einer Richtung ist, die die gegenüberliegenden Abschnitte (30, 31) verbindet.