DE10003682A1

DE10003682A1 - Brennstoffzelle und Separator

Info

Publication number: DE10003682A1
Application number: DE10003682A
Authority: DE
Inventors: Masanori Matsukawa; Masahiro Mizuno; Yasuyuki Asai; Yasuo Kuwabara; Yixin Zeng; Katsuhiro Kajio
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: US6365295B1; JP4312290B2; JP2000223137A; DE10003682B4

Abstract

Eine Brennstoffzelle setzt sich aus einer Vielzahl von Einheitszellen, die jeweils Elektroden umfassen, die eine dazwischen liegende Elektrolytmembran auf beiden Seiten bedecken, und einer Vielzahl von Separatoren (3) zusammen, die jeweils zwischen den Einheitszellen angeordnet sind. Jeder Separator (3) weist eine Vielzahl von Kontaktnasen (65, 75), die den Elektroden zugewandt sind und die Elektroden mit voreingestellten Kontaktbreiten berühren, und eine Vielzahl von Fluidkanälen (6a, 7a) auf, die als eine Kanalbreite (W1, X1; X13) zwischen jeweils benachbarten Kontaktnasen (65, 75) einen Zwischenraum aufweisen. Die Kontaktbreite der Kontaktnasen auf einer näher an einem Fluidauslass liegenden Seite (3b) ist kleiner als die der Kontaktnasen auf einer näher an einem Fluideinlass liegenden Seite (3a) eingestellt. Dadurch wird auf einer stromabwärtigen Seite eines Fluidkanals (6a, 7a), d. h. auf einer näher an einem Fluidauslass liegenden Seite (3b), die Diffusion eines Aktivstoffs in einem aktivstoffhaltigen Fluid in das Elektrodeninnere erleichtert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und einen Separator und insbesondere auf eine Brennstoffzelle mit einem Fluidkanal, durch den ein aktivstoffhaltiges Fluid hindurchgeht, und einen Separator dafür.

Brennstoffzellen, die aus einem Brennstoff Elektrizität gewinnen, sind bereits auf dem Markt verfügbar. Eine solche Brennstoffzelle weist mehrere Einheitszellen mit Elektroden, die eine dazwischen liegende Elektrolyt membran auf beiden Seiten bedecken, und eine Vielzahl von zwischen den Einheitszellen angeordneten Separatoren auf, die die Einheitszellen voneinander trennen. Der Separator wird üblicherweise mit einem Fluidkanal ausgebildet, um ein aktivstoffhaltiges Fluid, das von einem Fluideinlass aus zugeführt wird, zu einem Fluidauslass zu führen. In der JP-A-5-251 097 ist eine Brennstoffzelle offenbart, bei der Seite an Seite mehrere Fluidkanäle angeordnet sind, durch die das aktivstoffhaltige Fluid hindurchgeht, und bei der die Kanalbreite eines näher an dem Fluideinlass liegenden Abschnitts des Fluidkanals so eingestellt ist, dass sie breiter als der näher an dem Fluidauslass liegende Fluidkanalabschnitt ist. In dieser Offenlegungs schrift wird erklärt, dass dieser Aufbau in Erwartung von unter der Schwerkraftwirkung herabfallender Wassertropfen verwendet wird.

In der JP-A-10-106 594 ist ein Separator offenbart, der sich aus mehreren gerillten Fluidkanälen zusammensetzt, die Seite an Seite angeordnet sind und durch die ein aktivstoffhaltiges Fluid strömt. Diese Fluidkanäle sind mit einem zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass liegenden Separator versehen. Bei diesem Separator weisen die Fluidkanäle über die gesamte Länge der Fluidkanäle die gleiche Breite auf.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind bei der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle mehrere auf einem Separator 200 ausgebildete Kontaktnasen 210 einer Elektrode 100 zugewandt und berühren diese mit einer voreingestellten Kontaktbreite. Bei diesem Separator 200 ist ein Fluid kanal 230 derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen benachbarten Kontaktnasen 210 die Kanalbreite darstellt. Auf diese Weise wird das aktivstoffhaltige Fluid, das von dem Fluideinlass zugeführt wird, entlang dem Fluidkanal 230 zu dem Fluidauslass geführt.

Bei dem Separator 200 berühren die der Elektrode 100 zugewandten Kontaktnasen 210 diese mit einer vorein gestellten Kontaktbreite. Da der die Kontaktnasen 210 berührende Abschnitt der Elektrode 100 dem Fluidkanal 230 nicht direkt zugewandt ist, breitet sich der Aktivstoff nur begrenzt in das Innere der Elektrode 100 aus. Das heißt, dass der Kontaktabschnitt der Elektrode 100 mit den Kontaktnasen 210 einen Diffusionsbegrenzungsabschnitt PM bildet.

Der Aktivstoff in dem Fluidkanal 230 der Brennstoffzelle wird außerdem über den Verlauf des Fluidkanals entlang der von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite gehenden Richtung, d. h. von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass, verbraucht. Infolgedessen tendiert die Aktivstoffkonzentration des aktivstoffhaltigen Fluids dazu, auf der stromabwärtigen Seite des Fluidkanals, d. h. auf der Seite des Fluidkanals zu dem Fluidauslass hin, abzunehmen.

Angesichts des oben dargestellten Stands der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brenn stoffzelle und einen Separator für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, bei denen auf einer näher an der strom abwärtigen Seite des Fluidkanals liegenden Seite, d. h. auf der Seite des Fluidauslasses, die Verteilung oder Diffusion eines Aktivstoffs in dem aktivstoffhaltigen Fluid in das Innere der Elektroden vorteilhafterweise erleichtert wird.

Die Erfinder führten ausführliche Untersuchungen durch, um einen verbesserten Separator für eine Brennstoffzelle zu entwickeln, und kamen zu dem Ergebnis, dass sich auf der stromabwärtigen Seite eine gleichmäßigere innere Diffusion zu der Elektrode erzielen lässt, wenn auf der stromabwärtigen Seite des Fluidkanals, d. h. auf der näher an dem Fluidauslass liegenden Seite, die Kontaktbreite der Kontaktnasen kleiner als die Kontaktbreite der Kontaktnasen auf der näher an dem Fluideinlass liegenden Seite eingestellt wird, und dass sich dadurch das Energieerzeugungsvermögen auf der stromabwärtigen Seite verbessern lässt. Die Erfindung basiert auf diesem Ergebnis.

A) Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Einheitszellen, die jeweils Elektroden umfassen, die eine dazwischen liegende Elektrolytmembran auf beiden Seiten bedecken, und eine Vielzahl von Separatoren auf, die zwischen den Einheitszellen angeordnet sind. Der Separator weist eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Kontaktnasen, die den Elektroden zugewandt sind und die Elektroden mit voreingestellten Kontaktbreiten berühren, und eine Vielzahl von Fluidkanälen auf, die jeweils als Kanal breite einen Zwischenraum zwischen jeweils benachbarten Kontaktnasen aufweisen und jeweils zur Führung eines aktivstoffhaltigen Fluids gruppiert sind, das von einem Fluideinlass aus zu einem Fluidauslass hin zugeführt wird. Bei dem Separator ist die Kontaktbreite der Kontaktnasen auf einer näher an dem Fluidauslass liegen den Seite des Fluidkanals kleiner als die der Kontakt nasen auf einer näher an dem Fluideinlass liegenden Seite des Fluidkanals eingestellt.
B) Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Separator bereitgestellt, der bei einer Brennstoff zelle zu verwenden ist, die eine Vielzahl von Einheits zellen, die jeweils Elektroden umfassen, die eine dazwischen liegende Elektrolytmembran auf beiden Seiten bedecken, und eine Vielzahl von Separatoren aufweist, die zwischen den Einheitszellen angeordnet sind, wobei der Separator eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Kontaktnasen, die den Elektroden zugewandt sind und die Elektroden mit voreingestellten Kontaktbreiten berühren, und eine Vielzahl von Fluidkanälen aufweist, die jeweils als Kanalbreite einen Zwischenraum zwischen jeweils benachbarten Kontaktnasen aufweisen und zur Führung eines aktivstoffhaltigen Fluids angepasst sind, das von einem Fluideinlass aus zu einem Fluidauslass hin zugeführt wird. Bei dem Separator ist die Kontaktbreite der Kontaktnasen auf einer näher an dem Fluidauslass liegen den Seite des Fluidkanals kleiner als die der Kontakt nasen auf einer näher an dem Fluideinlass liegenden Seite des Fluidkanals eingestellt.
C) Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist bei dem Separator ein Bereich vorgesehen, in dem die Kontaktbreite von Kontaktnasen auf einer näher an dem Fluidauslass liegenden Seite des Fluidkanals kleiner als auf einer näher an dem Fluideinlass liegenden Seite dessen eingestellt ist. Auf der stromabwärtigen Seite des Fluidkanals, d. h. auf der näher an dem Fluidauslass liegenden Seite des Fluidkanals, wird das Kontakt verhältnis der Kontaktnasen des Separators mit den Elektroden kleiner, so dass die Fläche für jeden Diffusionsbegrenzungsabschnitt kleiner ist. Infolgedessen kann der Aktivstoff auf der stromabwärtigen Seite des Fluidkanals, d. h. auf einer näher an dem Fluidauslass liegenden Seite, sich gleichmäßiger in das Innere der Elektrode ausbreiten und diffundieren.

Es folgt nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Beschreibung bevorzugter Ausführungs beispiele der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht wesentlicher Abschnitte einer Brennstoffzelle;

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Separators entlang der Linie II-II in Fig. 3;

Fig. 3 eine Vorderansicht eines Separators, die eine Brennstoffgaskanalgruppe zeigt;

Fig. 4 eine Rückansicht des Separators, die eine Luft kanalgruppe zeigt;

Fig. 5 eine Querschnittansicht eines Kanalabschnitts auf der stromaufwärtigen Seite des Separators;

Fig. 6 eine Querschnittansicht eines Kanalabschnitts auf der stromabwärtigen Seite des Separators;

Fig. 7 eine Querschnittansicht eines Kanalabschnitts auf der stromaufwärtigen Seite des Separators gemäß einer Abwandlung;

Fig. 8 eine Querschnittansicht eines Kanalabschnitts auf der stromabwärtigen Seite des Separators gemäß der Abwandlung in Fig. 7; und

Fig. 9 eine Querschnittansicht eines Kanalabschnitts eines herkömmlichen Separators.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die mit der Elektrode in Berührung stehenden Kontaktnasen von der stromaufwärtigen Seite aus zu der stromabwärtigen Seite des Fluidkanals hin in die Länge gezogen. In diesem Fall liegen die Fluidkanäle in Form von in die Länge gezogenen Rillen vor. Wie beispielsweise in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, berühren die Kontakt nasen die Elektroden in einer longitudinal und trans versal verteilten bzw. regelmäßig angeordneten Gruppierungsweise, die Gitterrillen definiert.

Bei einer bevorzugten Gestaltung der Erfindung ist die Kanalbreite des Fluidkanals auf dessen näher an dem Fluidauslass liegenden Seite kleiner als auf dessen näher an dem Fluideinlass liegenden Seite. In diesem Fall lässt sich die Anzahl der Kontaktnasen pro Einheitsfläche des Separators vorteilhafterweise erhöhen, was eine Verkleinerung der Kontaktfläche der Kontaktnasen mit den Elektroden ermöglicht. Daraus ergibt sich (für die Einheitszelle insgesamt) für jeden von einer Kontaktnase gebildeten Diffusionsbegrenzungsbereich ein kleinere Fläche, so dass sich bezüglich der gleichmäßigen Diffusion zu den Elektroden eine Verbesserung ergibt.

[Beschreibung der Ausführungsbeispiele]

Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene schematische Ansicht wesentlicher Abschnitte eines Ausführungs beispiels der Brennstoffzelle, die sich aus einer Viel zahl von Einheitszellen 1 zusammensetzt, die jeweils eine Pluselektrode 11 und eine Minuselektrode 12 aufweisen, die auf beiden Seiten eine Protonenübertragungseigen schaften zeigende Festelektrolytmembran 10 bedecken.

Zwischen benachbarten Einheitszellen 1 ist ein Separator 3 vorgesehen. Da in Fig. 1 lediglich wesentliche Abschnitte dargestellt sind, ist die Anzahl der gezeigten Einheitszellen 1 und Separatoren 3 klein. Tatsächlich ist jedoch eine große Zahl an Einheitszellen 1 und Separatoren 3 vorgesehen.

Die jeweilige Minuselektrode 12 der Einheitszellen 1 wird mit einem Brennstoffgas versorgt, das ein Fluid darstellt, das als Minuselektroden-Aktivstoff Wasserstoff enthält. Die Pluselektrode 11 der Einheitszelle 1 wird dagegen mit Luft als Fluid versorgt, die als Plus elektroden-Aktivstoff Sauerstoff enthält.

Der Separator 3 hat die Aufgabe, eine Luftkanalgruppe 7, die von den Pluselektroden-Aktivstoff enthaltender Luft durchströmt wird, von einer Brennstoffgaskanalgruppe 6 zu trennen, die von einem den Minuselektroden-Aktivstoff enthaltenden Brennstoffgas durchströmt wird. Der Separator dient außerdem als Stromkollektor zum Sammeln erzeugter elektrischer Ladungen.

Der Separator 3 wird durch eine Pressform aus einem flachen Plattenmaterial formgepresst, das aus einem elektrisch leitfähigem Metallmaterial wie etwa einer Aluminiumlegierung, Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl besteht, um auf dessen entgegengesetzten Ober flächen jeweils Kontaktnasen 65 bzw. 75 auszubilden. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, die eine auseinandergezogene Perspektivansicht der wesentlichen Abschnitte der Brenn stoffzelle zeigt, berühren die Kontaktnasen 65, 75 jeweils die Minuselektrode 12 oder die Pluselektrode 11.

Um eine Abdichtung zu gewährleisten, sind an einer Kante des Separators 3, wie in Fig. 1 zu erkennen ist, eine rahmenförmige Dichtung 50 mit einem Dichtungsansatz 51 sowie eine weitere rahmenförmige Dichtung 52 vorgesehen. Die Dichtungen 50, 52 sind aus Kautschuk oder Harz geformt.

Fig. 2 zeigt die Längsquerschnittsansicht des Separators 3.

In Fig. 2 legen die Kontaktnasen 65 auf einer Oberfläche des Separators 3 Rillenabschnitte fest, die als die vorstehend genannte Brennstoffgaskanalgruppe 6 dienen, während die Kontaktnasen 75 auf der entgegengesetzten Oberfläche des Separators 3 ähnliche Rillenabschnitte festlegen, die als die vorstehend genannte Luftkanal gruppe 7 dienen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die jeweiligen Oberflächen des Separators. In den Fig. 3 und 4 ist der Separator 3 in Form eines Rechtecks zu erkennen, das eine obere Seite 3a, eine untere Seite 3b und zwei Lateralseiten 3c, 3d aufweist. Wenn die Brennstoffzelle fertiggestellt ist, fungieren die obere Seite 3a und die untere Seite 3b in Vertikalrichtung jeweils als Ober- und Unterseite. Auf der Oberseite des Separators 3 ist ein Lufteinlass 78 ausgebildet, der dazu angepasst ist, als Fluideinlass zu fungieren, während auf der Unterseite des Separators 3 ein Luftauslass 79 ausgebildet ist, der dazu angepasst ist, als Fluidauslass zu fungieren. Dies gestattet es, dass Luft von der Ober- zu der Unterseite des Separators 3 strömt. Der Lufteinlass 78 und der Luftauslass 79 befinden sich an im wesentlichen diagonal versetzten Stellen des Separators 3.

Auf der Oberseite des Separators ist ein Brennstoffgas einlass 68 ausgebildet, der als Fluideinlass fungieren kann. Auf der Unterseite des Separators 3 ist ein Brennstoffgasauslass 69 ausgebildet, der als Fluidauslass fungiert. Der Brennstoffgaseinlass 68 und der Brennstoff gasauslass 69 befinden sich an im wesentlichen diagonal versetzten Stellen des Separators 3.

An einem oberen Abschnitt des Separators 3 ist zwischen dem Brennstoffgaseinlass 68 und dem Lufteinlass 78 ein Kühlmitteleinlass 38 ausgebildet. An einem unteren Abschnitt des Separators 3 ist zwischen dem Brennstoff gasauslass 69 und dem Luftauslass 79 ein Kühlmittel auslass 39 ausgebildet. Der Kühlmitteleinlass 38 und der Kühlmittelauslass 39 befinden sich an im wesentlichen diagonal versetzten Stellen des Separators 3.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, dient die in dem Separator 3 ausgebildete gerillte Brennstoffgaskanalgruppe 6 bei diesem Ausführungsbeispiel dazu, das über den Brennstoff gaseinlass 68 zugeführte Brennstoffgas zu dem Brennstoff gasauslass 69 hin strömen zu lassen, wobei sie dadurch gebildet ist, dass mehrere Brennstoffgaskanäle 6a Seite an Seite in einer parallelen, mäanderförmigen Gruppierung regelmäßig angeordnet sind. (In Fig. 3 ist aus Veran schaulichungsgründen eine geringere Anzahl an Brennstoff gaskanälen dargestellt). Es ist zu beachten, dass die Brennstoffgaskanalgruppe 6 zwischen dem Brennstoffgas einlass 68 und dem Brennstoffgasauslass 69 eine Verbindung schafft und als Fluidkanalgruppe fungiert.

Jeder Brennstoffgaskanal 6a der Brennstoffgaskanalgruppe 6 weist entlang seiner gesamten Länge eine im wesent lichen konstante Tiefe auf. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, verringert sich jedoch allmählich die Kanalbreite jedes Brennstoffgaskanals 6a schrittweise in der Richtung von dem Brennstoffgaseinlass 68 zu dem Brennstoffgasauslass 69 hin, d. h. von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite hin. Demnach verringert sich in dem Separator 3 jeweils in der Richtung von dem Brennstoff gaseinlass 68 zu dem Brennstoffgasauslass 69 hin, d. h. in Richtung von der stromaufwärtigen Seite zu der strom abwärtigen Seite hin, allmählich (oder schrittweise) die Fluidkanalquerschnittsfläche der die Brennstoffgaskanal gruppe 6 bildenden Brennstoffgaskanäle 6a.

Wie in Fig. 3 im einzelnen zu erkennen ist, verlaufen die die Brennstoffgaskanalgruppe 6 bildenden Brennstoffgas kanäle 6a jeweils von dem Brennstoffgaseinlass 68 aus mit einer Kanalbreite W1 (in die durch den Pfeil L1 ange gebene Richtung) horizontal nach links und sind in einem ersten Umkehrbereich N1 mit einer Kanalbreite W2 nach unten gerichtet, um dann vertikal versetzt zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanalbreite W3 (in die durch den Pfeil R1 angegebene Richtung) horizontal nach rechts verlaufen. Die Brennstoffkanäle 6a sind dann jeweils in einem zweiten Umkehrbereich N2 mit einer Kanalbreite W4 nach unten gerichtet, um dann vertikal versetzt zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanalbreite W5 (in die durch den Pfeil L2 angegebene Richtung) horizontal nach links verlaufen. Die Brenn stoffkanäle 6a sind dann jeweils in einem dritten Umkehr bereich N3 mit einer Kanalbreite W6 nach unten gerichtet (abgelenkt), um mit einer Kanalbreite W7 weiter (in die durch den Pfeil R2 angegebene Richtung) horizontal nach rechts zu verlaufen. In einem vierten Umkehrbereich N4 sind die Brennstoffkanäle mit einer Kanalbreite W8 nach unten gerichtet und verlaufen dann mit einer Kanalbreite W9 (in die durch den Pfeil L3 angegebene Richtung) horizontal nach links. In einem fünften Umkehrbereich N5 sind die Brennstoffkanäle dann mit einer Kanalbreite W10 nach unten gerichtet, um dann in einer vertikal versetzten Beziehung zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanalbreite W11 (in die durch den Pfeil R3 angegebene Richtung) horizontal nach rechts verlaufen. In einem sechsten Umkehrbereich N6 sind die Brennstoffkanäle dann in einer vertikal versetzten Beziehung zurück gefaltet, so dass sie mit einer Kanalbreite W13 (in die durch den Pfeil L4 angegebene Richtung) horizontal nach links verlaufen, um den Brennstoffgasauslass 69 zu erreichen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Kanalbreiten derart eingestellt, dass W1 = W2 < W3, W3 = W4 < W5, W5 = W6 < W7, W7 = W8 < W9, W9 = W10 < W11 und W11 = W12 < W13 gilt. Mit anderen Worten ist die Kanalbreite des Brennstoffgaskanals 6a derart eingestellt, dass sie mit zunehmender Zahl an Richtungswechseln unter steter Abnahme der Strömungskanalquerschnittsfläche der Brenn stoffgaskanalgruppe 6 stetig abnimmt.

Fig. 4 zeigt eine gerillte Luftkanalgruppe 7, die auf der anderen Oberfläche des Separators 3 ausgebildet ist. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, dient die gerillte Luftkanalgruppe 7 dazu, über den Lufteinlass 78 zugeführte Luft zu dem Luftauslass 79 strömen zu lassen, wobei sie dadurch gebildet ist, dass mehrere Luftkanäle 7a Seite an Seite in einer parallelen, mäanderförmigen Gruppierung regel mäßig angeordnet sind. (In Fig. 4 ist aus Veranschau lichungsgründen eine geringere Anzahl an Luftkanälen dargestellt). Es ist zu beachten, dass die Luftkanal gruppe 7 zwischen dem Lufteinlass 78 und dem Luftauslass 79 eine Verbindung schafft und als Fluidkanalgruppe fungiert.

Jeder Luftkanal 7a der Luftkanalgruppe 7 weist entlang seiner gesamten Länge eine im wesentlichen konstante Tiefe auf. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, verringert sich jedoch allmählich die Kanalbreite jedes Luftkanals 7a schrittweise in der Richtung von dem Lufteinlass 78 zu dem Luftauslass 79 hin. Demnach verringert sich jeweils in der Richtung von dem Lufteinlass 78 zu dem Luftauslass 79 hin, d. h. in Richtung von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite hin, allmählich die Fluid kanalquerschnittsfläche der die Luftkanalgruppe 7 bilden den Luftkanäle 7a.

Wie in Fig. 4 im einzelnen zu erkennen ist, verlaufen die die Luftkanalgruppe 7 bildenden Luftkanäle 7a jeweils von dem Lufteinlass 78 aus mit einer Kanalbreite X1 horizontal nach rechts und sind an einem ersten Umkehr bereich M1 mit einer Kanalbreite X2 nach unten gerichtet, um dann vertikal versetzt zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanalbreite X3 horizontal nach links verlaufen. Die Luftkanalgruppe 7 ist dann in einem zweiten Umkehrbereich M2 mit einer Kanalbreite X4 nach unten gerichtet, um dann in einer vertikal versetzt zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanal breite X5 horizontal nach rechts verläuft. Die Luftkanal gruppe 7 ist dann in einem dritten Umkehrbereich M3 mit einer Kanalbreite X6 nach unten gerichtet, um dann mit einer Kanalbreite X7 horizontal nach links zu verlaufen.

In einem vierten Umkehrbereich M4 sind die Luftkanäle mit einer Kanalbreite X8 nach unten gerichtet und dann zurückgefaltet, so dass sie mit einer Kanalbreite X9 horizontal nach rechts verlaufen. In einem fünften Umkehrbereich M5 sind die Luftkanäle mit einer Kanal breite X10 nach unten gerichtet, um dann in einer vertikal versetzten Beziehung zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanalbreite X11 horizontal nach links verlaufen. In einem sechsten Umkehrbereich M6 ist die Luftkanalgruppe 7 nach unten gerichtet, um dann in einer vertikal versetzten Beziehung zurückgefaltet zu werden, so dass sie mit einer Kanalbreite X13 horizontal nach rechts verläuft, um den Luftauslass 79 zu erreichen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Kanalbreiten derart eingestellt, dass X1 = X2 < X3, X3 = X4 < X5, X5 = X6 < X7, X7 = X8 < X9, X9 = X10 < X11 und X11 = X12 < X13 gilt. Mit anderen Worten ist die Kanalbreite der Luftkanalgruppe 7 derart eingestellt, dass sie mit zunehmender Zahl an Richtungswechseln unter steter Abnahme der Strömungskanalquerschnittsfläche der Luft kanalgruppe 7 stetig abnimmt.

Das Verhältnis der Kanalbreitenabnahme zu der stromabwär tigen Seite des Luftkanals 7a in der Luftkanalgruppe 7 hin wird beispielsweise derart eingestellt, dass für die Kanalbreite X1 auf der äußersten stromaufwärtigen Seite und die Kanalbreite X13 auf der äußersten stromabwärtigen Seite X1 : X13 = 3 : 2 gilt.

Wird bei diesem Ausführungsbeispiel ferner die Kanal breite des Luftkanals 7a der Luftkanalgruppe 7 mit der des Brennstoffgaskanals 6a der Brennstoffgaskanalgruppe 6 verglichen, der bezüglich des Luftkanals 7a der Luft kanalgruppe 7 eine zwischen Vorder- und Rückseite seiten verkehrte Beziehung aufweist, ist angesichts des Konzentrationsunterschieds von Sauerstoff in Luft und von Wasserstoff in dem Brennstoffgas die erstgenannte Kanal breite größer als die letztgenannte.

Die Kanalbreite X1 auf der äußersten stromaufwärtigen Seite des Luftkanals 7 kann zum Beispiel mit der Kanal breite W1 auf der äußersten stromaufwärtigen Seite des Brennstoffgaskanals 6a, der bezüglich des Luftkanals 7a die zwischen Vorder- und Rückseite seitenverkehrte Beziehung aufweist, über X1 : W1 = 7 : 5 verknüpft sein.

Die Fig. 5 und 6 zeigen wesentliche Abschnitte der Erfindung. Fig. 5 zeigt eine Querschnittansicht der stromaufwärtigen Seite des Separators 3, d. h. von dessen Seite zu dem Lufteinlass 78 und dem Brennstoffgaseinlass 68 hin. Gemäß Fig. 5 weist der Luftkanal 7a auf seiner stromaufwärtigen Seite eine größere Kanalbreite X1 auf. Wie ebenfalls in Fig. 5 angegeben ist, berühren die Kontaktnasen 65 des Separators 3 die Minuselektrode 12 mit einer erkennbar großen Kontaktbreite D1. Darüber hinaus berühren die Kontaktnasen 75 des Separators 3 die Pluselektrode 11 mit einer erkennbar geringen Kontakt breite D2.

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht einer stromabwärtigen Seite des Separators 3, d. h. der Seite des Separators 3 zu dem Luftauslass 79 und dem Brennstoffgasauslass 69 hin. Auf der stromabwärtigen Seite weist der Luftkanal 7a eine kleine Kanalbreite X13 (X13 < X1) auf. Wie ebenfalls in Fig. 6 gezeigt ist, ist auf der stromabwärtigen Seite des Separators 3 die Kontaktbreite der Kontaktnasen 65 mit der Minuselektrode 12 erkennbar gering und beträgt D1' (D1' < D1). Darüber hinaus ist auf der stromabwärtigen Seite des Separators 3 die Kontaktbreite der Kontaktnasen 75 mit der Plus elektrode 11 erkennbar gering und beträgt D2' (D2' < D2).

Die Kontaktabschnitte der Kontaktnasen 65, 75 mit den Elektroden (Pluselektrode 11 oder Minuselektrode 12) bilden wie vorstehend erwähnt den Diffusionsbegrenzungs abschnitt PM. Bei diesem Ausführungsbeispiel lässt sich auf der stromabwärtigen Seite, d. h. auf der Seite des Separators zu der Fluidauslaßseite hin, die Kontakt breite des Abschnitts der Separatorkontaktnasen 65, 75 mit den Elektroden (Pluselektrode 11 oder Minuselektrode 12) verringern. Daher kann die Breite des Diffusions begrenzungsabschnitts PM, wie in Fig. 6 gezeigt ist, gering sein. Infolgedessen ist es bei diesem Ausführungs beispiel vorteilhafterweise möglich, die Gleichmäßigkeit bei der Diffusion und Übertragung des Aktivstoffs zu den Elektroden (Pluselektrode 11 oder Minuselektrode 12) zu verbessern.

Auf diese Weise lässt sich auf der stromabwärtigen Seite eine Senkung der Aktivstoffkonzentration in dem aktivstoffhaltigen Fluid kompensieren, falls eine solche Senkung auftritt.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Kontaktnasen 65, 75 bei diesem Ausführungsbeispiel zudem auf der strom abwärtigen Seite im Querschnitt gebogen, anstatt flach zu sein. Demnach erfolgt die Berührung durch die Kontakt nasen 65, 75 im Querschnitt gesehen punktförmig oder im wesentlichen punktförmig. Auch dies hilft dabei, die Kontaktbreite der Kontaktabschnitte der Kontaktnasen 65, 75 mit den Elektroden (Pluselektrode 11 oder Minus elektrode 12) zu verringern, damit die Gleichmäßigkeit der Diffusion des Aktivstoffs in das Innere der Elektroden verbessert wird.

Die Querschnittfläche des Brennstoffkanals 6a ist bei diesem Ausführungsbeispiel außerdem so gestaltet, dass sie mit Annäherung an den Brennstoffgasauslass 69 stetig abnimmt. Dies trägt dazu bei, auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffgaskanals 6a eine Verknappung der Aktivstoffkonzentration zu unterdrücken. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Unterdrückung der Verknappung der Aktivstoffkonzentration zudem für jeden Brennstoff gaskanal 6a erzielbar. Das gleiche trifft auch für jeden der Luftkanäle 7a zu, so dass sich auf der strom abwärtigen Seite der Luftkanäle 7a die Verknappung der Sauerstoffkonzentration unterdrücken lässt.

Die Querschnittfläche des Brennstoffgaskanals 6a nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel, wie vorstehend erwähnt ist, mit Annäherung an den Brennstoffgasauslass 69 stetig ab. Es ist demnach vorteilhafterweise möglich, in dem Brennstoffgaskanal 6a auf der stromabwärtigen Seite, d. h. auf der nahe an dem Brennstoffgasauslass 69 liegenden Seite, eine Senkung der Strömungsgeschwindigkeit zu unterdrücken, so dass eine ausreichende Strömungs geschwindigkeit gewährleistet oder eine Wasserstauung auf der stromabwärtigen Seite unterdrückt wird. Das trifft auch für den Luftkanal 7a zu, so dass es vorteilhafter weise möglich ist, eine Senkung der Strömungsgeschwindig keit auf der stromabwärtigen Seite oder auf der nahe an dem Luftauslass 79 liegenden Seite zu unterdrücken. Dadurch lässt sich in dem Brennstoffgaskanal 6a eine Behinderung der Brennstoffgasströmung durch den Luftstrom oder durch Wassertröpfchen in dem Luftkanal 7a verhindern.

[Ausführungsbeispielvariante]

Die Fig. 7 und 8 zeigen wesentliche Abschnitte einer weiteren Gestaltungsvariante der Erfindung. Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen stromaufwärtigen Seiten abschnitt des Separators 3, d. h. auf die Seite des Brennstoffgaseinlasses 78. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind die Kontaktnasen des Separators 3 auf der strom aufwärtigen Seite im wesentlichen viereckförmig und sowohl in Longitudinal- als auch Transversalrichtung verteilt. Die Kontaktbreite der stromaufwärtigen Kontakt nase 65 mit der Minuselektrode 12 ist größer und entspricht D10. Durch eine auf der stromabwärtigen Seite benachbarte Kontaktnase 65 wird ein in Gitterrillenform vorliegender stromaufwärtiger Brennstoffgaskanäl 6a definiert. Der stromaufwärtige Brennstoffgaskanal 6a weist eine Kanalbreite auf, die wie in Fig. 7 angegeben mit W10 bezeichnet ist.

Fig. 8 zeigt in einer vergrößerten Querschnittansicht die stromabwärtige Seite des Separators 3, d. h. die Seite des Brennstoffgasauslasses 69. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, sind die Kontaktnasen 65 des Separators 3 auch auf der stromabwärtigen Seite im wesentlichen viereckförmig und in sowohl der Longitudinal- als auch Transversalrichtung verteilt. Die Kontaktbreite der stromabwärtigen Kontakt nase 65 mit der Minuselektrode 12 ist kleiner und entspricht D10' (D10' < D10). Durch eine stromabwärtig benachbarte Kontaktnase 65 wird ein in Gitterrillenform vorliegender stromabwärtiger Brennstoffgaskanal 6a definiert. Der stromabwärtige Brennstoffgaskanal 6a weist eine Kanalbreite auf, die wie in Fig. 8 angegeben mit W10' (W10' < W10) bezeichnet ist.

Die die Elektroden berührenden Abschnitte der Kontakt nasen 65 des Separators 3 bilden wie vorstehend erwähnt den Diffusionsbegrenzungsabschnitt PM. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel kann auf der stromabwärtigen Seite, d. h. auf der näher an dem Fluidauslass liegenden Seite, die Kontaktbreite des Kontaktabschnitts der Kontaktnasen 65 des Separators mit den Elektroden klein sein und D10' entsprechen (D10' < D10), wodurch die Größe jedes Diffusionsbegrenzungsabschnitts verringert wird. Infolge dessen kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Diffusion und Übertragung (Migration) des Aktivstoffs in die Elektroden (Pluselektrode 11 oder Minuselektrode 12) vorteilhafterweise verbessert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Separator wird zu dem Fluid auslass hin die Kontaktbreite der Kontaktnasen kleiner als zu dem Fluideinlass hin gewählt, so dass es vorteil hafterweise möglich ist, auf der stromabwärtigen Seite des Fluidkanals, d. h. auf der näher an dem Fluidauslass liegenden Seite, die Diffusion des Aktivstoffs in dem aktivstoffhaltigen Fluid in das Elektrodeninnere zu verbessern.

Claims

1. Brennstoffzelle, mit:
einer Vielzahl von Einheitszellen, die jeweils Elektroden (11, 12) umfassen, die eine dazwischen liegende Elektrolytmembran (10) auf beiden Seiten bedecken; und
einer Vielzahl von Separatoren (3), die jeweils zwischen den Einheitszellen angeordnet sind, wobei
der Separator (3) eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Kontaktnasen (65, 75), die den Elektroden (11, 12) zugewandt sind und die Elektroden mit voreingestell ten Kontaktbreiten (D1, D1'; D2, D2') berühren, und eine Vielzahl von Fluidkanälen (6a, 7a) aufweist, die als eine Kanalbreite (W1, . . ., W13; X1, . . ., X13) zwischen jeweils benachbarten Kontaktnasen einen Zwischenraum aufweisen und die jeweils zur Führung eines aktivstoffhaltigen Fluids angepasst sind, das von einem Fluideinlass (68, 78) aus zu einem Fluidauslass (69, 79) hin zugeführt wird; und
der Separator (3) einen Bereich aufweist, in dem die Kontaktbreite (D1', D2') der Kontaktnasen (65, 75) auf einer näher an dem Fluidauslass (69, 79) liegenden Seite kleiner als die Kontaktbreite (D1, D2) der Kontaktnasen (65, 75) auf einer näher an dem Fluideinlass (68, 78) liegenden Seite eingestellt ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Kanalbreite (W13, X13) des Fluidkanals (6a, 7a) auf einer näher an dem Fluidauslass (69, 79) liegenden Seite kleiner als die Kanalbreite (W1, X1) auf einer näher an dem Fluideinlass (68, 78) liegenden Seite eingestellt ist.

3. Separator (3) zur Verwendung bei einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Einheitszellen (1), die jeweils Elektroden (11, 12) umfassen, die eine dazwischen liegende Elektrolytmembran (10) auf beiden Seiten bedecken, und einer Vielzahl von Separatoren, die jeweils zwischen den Einheitszellen angeordnet sind, wobei der Separator (3)
eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Kontakt nasen (65, 75), die den Elektroden (11, 12) zugewandt sind und die Elektroden mit voreingestellten Kontakt breiten (D1, D1'; D2, D2') berühren, und eine Vielzahl von Fluidkanälen (6a, 7a) aufweist, die als eine Kanal breite (W1, . . ., W13; X1, . . ., X13) zwischen jeweils benachbarten Kontaktnasen einen Zwischenraum aufweisen und die jeweils zur Führung eines aktivstoffhaltigen Fluids gruppiert sind, das von einem Fluideinlass (68, 78) aus zu einem Fluidauslass (69, 79) hin zugeführt wird; und
einen Bereich aufweist, in dem die Kontaktbreite (D1', D2') der Kontaktnasen (65, 75) auf einer näher an dem Fluidauslass (69, 79) liegenden Seite kleiner als die Kontaktbreite (D1, D2) der Kontaktnasen (65, 75) auf einer näher an dem Fluideinlass (68, 78) liegenden Seite eingestellt ist.

4. Separator (3) zur Verwendung bei einer Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Kanalbreite (W13, X13) des Fluidkanals (6a, 7a) auf einer näher an dem Fluidauslass (69, 79) liegenden Seite kleiner als die Kanalbreite (W1, X1) auf einer näher an dem Fluideinlass (68, 78) liegenden Seite eingestellt ist.