1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Brennstoffzellentrennelement (das für eine Brennstoffzelle der
Feststoffpolymerelektrolytbauart oder dergleichen verwendet
wird).
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Eine Brennstoffzelle der Feststoffpolymerelektrolytbauart
besteht aus geschichteten Modulen, von denen jedes aus einer
Membranelektrodenanordnung (MEA) und einem Trennelement besteht.
Die MEA besteht aus einer aus einer Ionenaustauschmembran
gefertigten elektrolytischen Membran, einer an einer Seite, bzw.
Fläche, der elektrolytischen Membran angeordneten, aus einer
katalytischen Schicht bestehenden Elektrode (Anode oder
Brennstoffelektrode) und einer an der anderen Seite der
elektrolytischen Membran angeordneten, aus einer katalytischen
Schicht gefertigten Elektrode (Kathode oder Luftelektrode).
Diffusionsschichten sind jeweils zwischen der anodenseitigen
katalytischen Schicht und dem Trennelement und zwischen der
kathodenseitigen katalytischen Schicht und dem Trennelement
angeordnet. Ein Brennstoffgasströmungskanal, durch den ein
Brennstoffgas (Wasserstoff) zu der Anode zugeführt wird, ist
durch das Trennelement an der Seite der Anode mit Bezug auf die
MEA definiert. Ein Oxidationsgasströmungskanal, durch den ein
Oxidationsgas (Sauerstoff, in der Regel Luft) zu der Kathode
zugeführt wird, ist durch das Trennelement an der Seite der
Kathode mit Bezug auf die MEA definiert. Anschlüsse, Isolatoren
und Endplatten sind an entgegengesetzten Enden eines
geschichteten Modulkörpers in einer Modulschichtrichtung
angeordnet, wodurch ein Stapel aufgebaut wird. Dieser Stapel ist
in der Modulschichtrichtung geklemmt und mittels Schrauben und
Befestigungselementen (z. B. einer Zugplatte), die sich in der
Modulschichtrichtung nach außen des geschichteten Modulkörpers
erstrecken, befestigt.
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In der Brennstoffzelle der Feststoffpolymerelektrolytbauart
tritt eine Reaktion zum Zerlegen von Wasserstoff in
Wasserstoffionen und Elektronen an der Anodenseite auf und die
Wasserstoffionen bewegen sich durch die elektrolytische Membran
hindurch zu der Kathodenseite. Eine Reaktion zum Herstellen von
Wasser aus Sauerstoff, Wasserstoffionen und Elektronen (die in
den Anoden von angrenzenden MEAs hergestellten Elektroden
erreichen die Kathodenseite durch das Trennelement hindurch oder
die in der Anode einer Zelle an einem Ende des geschichteten
Modulkörpers erzeugten Elektronen erreichen die Kathode einer
Zelle an dem anderen Ende des geschichteten Modulkörpers durch
einen externen Kreislauf) tritt an der Kathodenseite auf.
Anodenseite: H2 → 2H+ + 2e-
Kathodenseite: 2H+ + 2e- + (1/2) O2 → H2O.
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Um Joulewärme und die Wärme der Reaktionen zum Erzeugen von
Wasser auf der Kathodenseite zu kühlen, ist ein
Kühlmittelströmungskanal, durch den ein Kühlmittel (in der Regel
Kühlwasser) hindurch strömt, durch ein angrenzendes Trennelement
definiert, sodass die Brennstoffzelle gekühlt wird.
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Die offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr.
2000-228207 offenbart ein Metalltrennelement gemäß einem sich auf die
Erfindung beziehenden Stand der Technik. Dieses Trennelement ist
aus einem Pressmetall ausgebildet. Ein Reaktionsgas und ein
Kühlwasser werden veranlasst, jeweils entlang Vorder- und
Rückseiten des Trennelements zu strömen. Fig. 6 zeigt einen in
der vorstehend erwähnten Veröffentlichung offenbartes
Trennelement 10. Fig. 7B ist eine vergrößerte Ansicht eines
eingekreisten Bereichs des Trennelements 10, der in Fig. 6 durch
A angezeigt ist, d. h., eines Bereichs um einen
Verbindungsabschnitt zwischen einem Öffnungsabschnitt 110 und
Gasströmungskanälen 180 herum. Wie dies in Fig. 7A gezeigt ist,
strömt ein Gas von dem Öffnungsabschnitt 110 über die
Gasströmungskanalendabschnitte 180a in die Strömungskanäle 180
hinein. Konvexe Abschnitte 190 trennen die Strömungskanäle 180
voneinander. Fig. 7B ist eine Querschnittsansicht der
Gasströmungskanäle entlang der Linie VB-VB aus Fig. 7A. Fig. 8A
ist eine vergrößerte Ansicht eines eingekreisten Bereichs des
Trennelements, das durch B in Fig. 6 angezeigt ist, d. h., eines
Bereichs um einen Verbindungsabschnitt zwischen einem
Öffnungsabschnitt 150 und einem Endabschnitt eines
Kühlmittelströmungskanals 120 herum. Ein Kühlmittel strömt von
dem Öffnungsabschnitt 150 über einen
Kühlmittelströmungskanaleinlassabschnitt 200a in einen Kanal 200
hinein. Fig. 8B ist eine Querschnittansicht des
Kühlmittelströmungskanals entlang einer Linie VIB-VIB aus Fig.
8A. In dem in der vorstehenden Veröffentlichung offenbarten
Trennelement ist, wie dies in Fig. 7A und 7B und Fig. 8A und 8B
gezeigt ist, die Breite des Kühlmittelströmungskanals größer als
die Breite der Gasströmungskanäle. Zusätzlich zu dem in der
vorstehend erwähnten Veröffentlichung offenbartem Trennelement,
wurden gegenwärtige andere Metalltrennelemente hergestellt, die
so ausgebildet sind, dass die Breite eines
Kühlmittelströmungskanals größer als die Breite der
Gasströmungskanäle sind.
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Wenn jedoch ein Gasströmungskanal durch eine vordere Fläche
eines Trennelements definiert ist, das so ausgestaltet ist, dass
es gepresst wird, um Strömungskanäle wie in dem Fall des
Metalltrennelements zu definieren, ist die Breite und die
Querschnittsflächen eines durch eine Rückseite des Trennelements
definierten Kühlmittelströmungskanals einzigartig bestimmt. Wenn
in diesem Fall die Breite des Kühlmittelströmungskanals größer
als die Breite des Gasströmungskanals gemacht wird, wie dies im
Stand der Technik der Fall ist, werden die nachstehenden
Probleme verursacht.
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(1) Ein Trennelementabschnitt bei einem Rillenbodenabschnitt des
Kühlmittelströmungskanals presst eine Diffusionsschicht und
bewirkt nachteilig die Diffundierbarkeit von Gas in eine
katalytische Schicht hinein. Wenn daher die Breite des
Kühlmittelströmungskanals vergrößert wird, können die
Zellenbereiche, die wirksam verwendet werden können, um
Elektrizität zu erzeugen, verringert werden. Da die Menge von
Kühlwasser ansteigt und das Metall eine hohe thermische
Leitfähigkeit hat, tritt ein übermäßiges Kühlen auf, das dazu
neigt, eine Überschwemmung in einem stromabwärts liegenden
Oxidationsgasabschnitt zu verursachen. Ferner wird die
Kühlwassermenge erhöht und die thermische Kapazität von Wasser
wird erhöht, wodurch die Kühlungssteuerbarkeit in einigen Fällen
verschlechtert werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein
Brennstoffzellentrennelement zu schaffen, dessen Strömungskanäle
durch Pressen ausgebildet werden, das eine vergrößerte Fläche
bieten kann, die zum Erzeugen von Elektrizität wirksam verwendet
werden kann und das verhindern kann, dass eine Brennstoffzelle
übermäßig gekühlt wird.
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Ein Brennstoffzellentrennelement gemäß einem ersten
Gesichtspunkt der Erfindung hat ein Trennelement mit einer
ersten Seite und einer zweiten Seite, die entgegengesetzt zu der
ersten Seite ausgebildet ist. Das Trennelement ist zumindest
teilweise in eine konvexo-konkave Form gepresst. Ein an der
ersten Seite ausgebildeter konkaver Abschnitt definiert einen
Gasströmungskanal mit einer Breite dG und einer
Querschnittsfläche SG. Ein an der zweiten Seite ausgebildeter
konkaver Abschnitt definiert einen Kühlmittelströmungskanal mit
einer Breite dW und einer Querschnittsfläche SW. Die Breite dG
und die Querschnittsfläche SG des Gasströmungskanals und die
Breite dW und die Querschnittsfläche SW des
Kühlmittelströmungskanals erfüllen ein Verhältnis: dG ≥ dW oder
ein Verhältnis SG ≥ SW.
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In dem Kraftstoffzellentrennelement gemäß dem vorstehend
erwähnten ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Breite des
Kühlwasserströmungskanals kleiner als die Breite des
Gasströmungskanals (dG ≥ dW) und ist somit kleiner als die Breite
des Kühlmittelströmungskanals des vorstehend erwähnten Standes
der Technik. Wenn ferner die Strömungskanäle nicht gerillt sind,
ist es unmöglich, dG oder dW zu bestimmen. Da jedoch selbst in
dem Fall ein Verhältnis: Querschnittsfläche = Strömungskanalhöhe
× Strömungskanalbreite erfüllt ist, kann die
Strömungskanalbreite bestimmt werden, wenn die
Strömungskanalhöhe einmal bekannt wurde. Daher ist es auch
angebracht, dass die Kühlmittelströmungskanalquerschnittsfläche
kleiner als die Gasströmungskanalquerschnittsfläche ist (SG ≥ SW).
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Da die Kühlmittelströmungskanalbreite verringert ist, sind die
Flächen der Diffusionsschichten verringert, die durch
Rillenbodenabschnitte des Kühlmittelströmungskanals des
Trennelements gepresst sind und die Flächen dieser Abschnitte
der Diffusionsschichten, die eine schlechte Diffusionsfähigkeit
von Gas zu katalytischen Schichten vorweisen, werden verringert.
Als ein Ergebnis werden Zellenflächen, die Wirksamkeit zum
Erzeugen von Elektrizität verwendet werden können (die Flächen
der katalytischen Flächen, denen eine ausreichende Gasmenge
diffusiv zugeführt wird) erhöht.
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Da ferner die Kühlmittelströmungskanalbreite verringert ist,
wird die Kühlwassermenge verringert. Daher wird verhindert, dass
die Zellen übermäßig gekühlt werden und die thermische Kapazität
von Kühlwasser wird ebenso verringert, was eine verbesserte
Kontrollierbarkeit mit sich bringt. Da ferner übermäßige Kühlung
verhindert wird, wird vermieden, dass ein stromabwärts liegender
Oxidationsgasabschnitt durch erzeugtes Wasser überflutet wird.
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Es ist auch dienlich, dass ein einen Strömungskanal
definierender Abschnitt des Trennelements aus einem Material mit
einer hohen thermischen Leitfähigkeit gefertigt ist. Da in
diesem Fall der Strömungskanal definierende Abschnitt eine hohe
thermische Leitfähigkeit vorweist, neigt die Kühlung dazu,
übermäßig zu sein. Da jedoch die Bedingung, dass die Breite dW
des Kühlmittelströmungskanals kleiner als die Breite dG des
Gasströmungskanals (oder die Bedingung, dass die
Querschnittsfläche Sd des Kühlmittelströmungskanals kleiner als
die Querschnittsfläche SG des Gasströmungskanals) als eine
Vorraussetzung erfüllt ist, ist die Kühlwassermenge klein und
übermäßige Kühlung kann verhindert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen offensichtlich, in denen:
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Fig. 1 eine allgemeine schematische Ansicht einer mit einem
Trennelement ausgestatteten Brennstoffzelle ist;
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Fig. 2 eine Explosionsansicht eines Moduls der mit dem
Trennelement ausgestatteten Brennstoffzelle ist;
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Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht von zwei Modulen
eines Teils der mit dem Trennelement ausgestatteten
Brennstoffzelle ist;
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Fig. 4 eine Ansicht ist, die ein Verhältnis zwischen der
Gasströmungskanalquerschnittsfläche und der
Kühlmittelströmungskanalquerschnittsfläche zeigt;
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Fig. 5 eine Ansicht ist, die ein Verhältnis zwischen der
Gasströmungskanalbreite und der Kühlmittelströmungskanalbreite
zeigt;
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Fig. 6 eine allgemeine schematische Ansicht eines
Trennelements gemäß einem sich auf die Erfindung beziehenden
Stand der Technik ist;
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Fig. 7A eine vergrößerte Ansicht eines durch A aus Fig. 6
angezeigten, eingekreisten Bereichs ist und Fig. 7B ein
Querschnitt entlang einer Linie VB-VB aus Fig. 7A ist;
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Fig. 8A eine vergrößerte Ansicht eines durch B aus Fig. 6
angezeigten, eingekreisten Bereichs ist und Fig. 8B ein
Querschnitt entlang einer Linie VIB-VIB aus Fig. 8A ist.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellentrennelement gemäß der
Erfindung wird im weiteren Verlauf mit Bezug auf Fig. 1 bis 3
beschrieben.
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Eine Brennstoffzelle, in die das erfindungsgemäße Trennelement
eingebaut ist, ist eine Brennstoffzelle der
Feststoffpolymerelektrolytbauart 10. Die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle 10 ist beispielsweise in einem mit
Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug installiert. Es ist jedoch
anzumerken, dass die Brennstoffzelle 10 ebenso für andere Zwecke
verwendet werden kann, anstelle in einem Fahrzeug installiert zu
werden.
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Wie dies in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, besteht die
Brennstoffzelle 10 der Feststoffpolymerelektrolytbauart aus
geschichteten Modulen 19, von denen jedes aus einem Trennelement
18 und einer Membranelektrodenanordnung (MEA) besteht. Die MEA
besteht aus einer aus einer Ionenaustauschmembran gefertigten
Elektrolytmembran 11, aus einer an einer Seite der
Elektrolytmembran 11 angeordneten, aus einer katalytischen
Schicht 12 gefertigten Elektrode 14 (Anode oder
Brennstoffelektrode) und einer an der anderen Fläche der
elektrolytischen Membran 11 angebrachten, aus einer
katalytischen Schicht 15 gefertigten Elektrode 17 (Kathode oder
Luftelektrode). Eine Diffusionsschicht 13 ist zwischen der
anodenseitigen katalytischen Schicht 12 und dem Trennelement 18
angeordnet und eine Diffusionsschicht 16 ist zwischen einer
kathodenseitigen katalytischen Schicht 15 und dem Trennelement
18 angeordnet. Die Diffusionsschicht 13 kann als ein Teil der
Anode 14 betrachtet werden und die Diffusionsschicht 16 kann als
ein Teil der Kathode 17 betrachtet werden. Anschlüsse 20,
Isolatoren 21 und Endplatten 22 sind an entgegengesetzten Enden
eines geschichteten Modulkörpers in einer Modulschichtrichtung
angeordnet, wobei ein Stapel 23 aufgebaut ist. Der Stapel 23 ist
in der Modulschichtrichtung geklemmt und mittels Bolzen, bzw.
Schrauben 25 und einem Befestigungselement 24 (z. B. einer
Zugplatte), das sich in der Modulschichtrichtung außerhalb des
geschichteten Modulkörpers erstreckt, befestigt.
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Ein Brennstoffgasströmungskanal 27, durch den Brennstoffgas
(Wasserstoff) zu der Anode 14 zugeführt wird, ist durch das
Trennelement 18 an der Seite der Anode 14 mit Bezug auf die MEA
definiert. Ein Oxidationsgasströmungskanal 28, durch den ein
Oxidationsgas (Sauerstoff, in der Regel Luft) zu der Kathode 17
zugeführt wird, ist durch das Trennelement 18 an der Seite der
Kathode 17 mit Bezug auf die MEA definiert.
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Ein Kühlmittelströmungskanal 26 ist zwischen dem Trennelement 18
eines der angrenzenden Module und dem Trennelement 18 eines
anderen der angrenzenden Module angeordnet. Ein Kühlmittel (in
der Regel Kühlwasser) wird veranlasst, durch den
Kühlmittelströmungskanal 26 hindurch zu strömen und kühlt die
Brennstoffzelle, die im Begriff ist, durch die Joulewärme und
die Reaktionswärme erwärmt zu werden. Der
Kühlmittelströmungskanal 26 ist durch das Trennelement 18 an
seiner Rückseite definiert, die entgegengesetzt zu der Seite
davon ist, an der der Gasströmungskanal (der
Brennstoffgasströmungskanal 27 oder der
Oxidationsgasströmungskanal 28) definiert ist.
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Die katalytischen Schichten 12, 15 sind aus Platin (Pt),
Platin(Pt) tragendem Kohlenstoff (C) und einem Elektrolyt
gefertigt. Die Diffusionsschichten 13, 16 enthalten Kohlenstoff
(C) als ihren Hauptbestandteil und sind permeabel für Luft.
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Der Gasströmungskanal (der Brennstoffgasströmungskanal 27 oder
der Oxidationsgasströmungskanal 28) ist durch das Trennelement
18 an einer seiner Seiten definiert und der
Kühlmittelströmungskanal 26 ist durch das Trennelement 18 an
seiner anderen Seite definiert. Das Trennelement 18 hat
gepresste Abschnitte (18A und 18B). Die gepressten Abschnitte
(18A und 18B) sind beispielsweise aus einem Metall gefertigt. Es
ist jedoch nicht absolut notwendig, dass die gepressten
Abschnitte (18A und 18B) aus einem Metall gefertigt sind. Es ist
ebenso dienlich, dass die gepressten Abschnitte (18A und 18B)
aus einem gepressten leitfähigem Harz ausgebildet sind. Die
nachstehende Beschreibung behandelt einen Fall, in dem die
gepressten Abschnitte (18A und 18B) aus einem Metall gefertigt
sind.
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In dem Fall, in dem die gepressten Abschnitte (18A und 18B) aus
einem Metall gefertigt sind, besteht das Trennelement 18 aus
Metalltrennelementen 18A, 18B und Harzrahmen 18C, 18D.
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Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Harzrahmen 18C, 18D,
deren Abschnitte entsprechend der MEA perforiert sind, jeweils
an den Metalltrennelementen 18A, 18B an der Seite der MEA
angeordnet, wenn das Trennelement 18 die MEA einlegt. Das
Metalltrennelement 18A, der Harzrahmen 18C, die MEA, der
Harzrahmen 18D und das Metalltrennelement 18B sind in dieser
Reihenfolge geschichtet. Die Harzrahmen 18C, 18D haben die
entsprechend der MEA perforierten Abschnitte. Daher sind, was
einen der MEA entsprechenden Bereich betrifft, das
Metalltrennelement 18A, die MEA und das Metalltrennelement 18B
in dieser Reihenfolge geschichtet. Da die MEA nicht mit den
Harzrahmen 18C, 18D und dem Metalltrennelement 18A überlappt,
sind der Harzrahmen 18C, der Harzrahmen 18D und das
Metalltrennelement 18B in dieser Reihenfolge geschichtet. Der
der MEA entsprechende Bereich bildet einen Erzeugungsabschnitt
der Brennstoffzelle.
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Die Metalltrennelemente 18A, 18B sind undurchlässig und sind
beispielsweise durch Beschichtungsmetallschichten (z. B.
rostfreie Beschichtungen) mit einem hochleitfähigen Metall (z. B.
Nickelbeschichtung) ausgebildet. Das Metalltrennelement 18A und
der Harzrahmen 18C trennen ein Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff)
und ein Kühlmittel (z. B. Kühlwasser) von einander. Das
Metalltrennelement 18B und der Harzrahmen 18D trennen ein
Oxidationsgas (z. B. Sauerstoff, in der Regel Luft) und das
Kühlmittel von einander. Die Metalltrennelemente 18A, 18B bilden
eine elektrische Leitung, durch die Elektronen von einer Anode
zu einer Kathode einer angrenzenden Zelle strömen.
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Der Brennstoffgasströmungskanal 27 ist durch das
Metalltrennelement 18A an einer seiner Seiten (die der MEA
entgegen gesetzt ist) in dem elektrische Energie erzeugenden
Abschnitt der Brennstoffzelle entsprechenden Abschnitt definiert
und der Kühlmittelströmungskanal (Kühlwasserströmungskanal) 26
ist durch das Metalltrennelement 18A an seiner anderen Seite
definiert. Auf gleiche Weise ist der Oxidationsgasströmungskanal
28 durch das Metalltrennelement 18B an seiner einen Seite (die
der MEA entgegen gesetzt ist) in dem dem elektrische Energie
erzeugenden Abschnitt der Brennstoffzelle entsprechenden
Abschnitt definiert und der Kühlmittelströmungskanal
(Kühlwasserströmungskanal) 26 ist durch das Metalltrennelement
18B an seiner anderen Seite definiert. Diese Gasströmungskanäle
werden durch Pressen in einer konvexo-konkave Form ausgebildet.
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Ein mit dem Kühlmittelströmungskanal 26 verbundener
Kühlmittelverteiler 32, ein mit dem Brennstoffgasströmungskanal
28 verbundener Brennstoffgasverteiler 33 und ein mit dem
Oxidationsgasströmungskanal 28 verbundener
Oxidationsgasverteiler 34 sind durch gegenüberliegende
Abschnitte 30, 31 der Metalltrennelemente 18A, 18B und der
Harzrahmen 18C, 18D hindurch ausgebildet. Jeweils ein
gegenüberliegender Abschnitt 30 und ein entsprechender
gegenüberliegender Abschnitt 31 stehen sich über dem elektrische
Energie erzeugenden Abschnitt (dem der MEA entsprechenden
Abschnitt) der Brennstoffzelle gegenüber. Ein einlassseitiger
Kühlmittelverteiler 32a, ein auslassseitiger
Brennstoffgasverteiler 33b und ein einlassseitiger
Oxidationsgasverteiler 34a sind jeweils in einem Abschnitt des
Paars gegenüberliegender Abschnitte 30, 31 ausgebildet, die sich
über dem dem elektrische Energie erzeugenden Abschnitt der
Brennstoffzelle entsprechenden Abschnitt gegenüberliegen, sie
sind nämlich in dem gegenüberliegenden Abschnitt 30 ausgebildet.
Ein auslassseitiger Kühlmittelverteiler 32b, ein einlassseitiger
Brennstoffgasverteiler 33a und ein auslassseitiger
Oxidationsgasverteiler 34b sind in den anderen gegenüber
liegenden Abschnitten 31 ausgebildet.
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Ein Begradigungsabschnitt 35 zum Vergrößern der Strömung von der
Verteilerlänge zu der Gesamtbreite des die elektrische Energie
erzeugenden Abschnitts der Brennstoffzelle ist zwischen jedem
einlassseitigen Verteiler und dem Strömungskanal des erzeugenden
Abschnitts ausgebildet. Ein Begradigungsabschnitt 36 zum
Einengen der Strömung von der Gesamtbreite des die elektrische
Energie erzeugenden Abschnitts der Brennstoffzelle zu der
Verteilerlänge ist zwischen jedem der auslassseitigen Verteiler
und dem Strömungskanal des elektrische Energie erzeugenden
Abschnitts ausgebildet. Der Kühlwasserströmungskanal, der
Brennstoffgasströmungskanal und der Luftströmungskanal sind
voneinander abgedichtet. Ein Bezugszeichen 37 aus Fig. 3
bezeichnet ein Dichtungselement zum Verhindern, dass ein
Kühlmittel einen Raum zwischen den Modulen betritt.
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Wie dies in Fig. 3 (einer Querschnittsansicht entlang einer
Linie IIIA-IIIA in Fig. 2), Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt ist, wenn
darin angenommen wird, dass die Metalltrennelemente 18A, 18B,
von denen jedes gepresst ist, um den Gasströmungskanal 27 oder
28 an einer seiner Seiten und den Kühlmittelströmungskanal 26 an
der anderen seiner Seiten zu definieren, eine
Gasströmungskanalbreite (Brennstoffgasströmungskanalbreite und
Oxidationsgasströmungskanalbreite) dG, eine
Kühlmittelströmungskanalbreite dW, eine
Gasströmungskanalquerschnittsfläche
(Brennstoffgasströmungskanalquerschnittsfläche und
Oxidationsgasströmungskanalquerschnittsfläche) SG und eine
Kühlmittelströmungskanalquerschnittsfläche SW hat, erfüllen diese
Parameter ein Verhältnis: dG ≥ dW oder SW ≥ SG. Ein Abstand D
(Gasströmungskanalabstand = Kühlmittelströmungskanalabstand)
erfüllt ein Verhältnis von D = dG + dW. Es sollte hierin
angemerkt werden, dass vorstehend die Gasströmungskanalbreite dG
und die Kühlmittelströmungskanalbreite dW die
Strömungskanalbreiten an einem Mittelpunkt in der Richtung der
Tiefe (bei einem h entsprechenden Punkt, wenn die Tiefe durch h
bezeichnet wird) wiedergeben.
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Wenn in der vorstehenden Beschreibung die Strömungskanäle nicht
gerillt sind, beispielsweise wenn flache Blätter in eine Form
gepresst werden, die eine Vielzahl von Vorsprüngen hat, können
die Rillenbreiten dG, dW nicht bestimmt werden. Da jedoch selbst
in so einem Fall die Strömungskanalhöhe (Vorsprungshöhe) aus dem
nachstehenden Verhältnis: Querschnittsfläche =
Strömungskanalhöhe × Strömungskanalbreite offensichtlich ist,
können die Strömungskanalbreiten bestimmt werden. Folglich wurde
das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen: SG ≥ SWvorstehend zusätzlich zu dem Verhältnis zwischen den
Strömungskanalbreiten: dG ≥ dW erwähnt. In dem in den Zeichnungen
gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Trennelemente 18A, 18B,
von denen jedes einen Gasströmungskanal an einer seiner Seiten
und einen Kühlmittelströmungskanal an der anderen seiner Seite
definiert, aus einem Metall als ein Material mit einer hohen
thermischen Leitfähigkeit gefertigt.
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Nun wird der erfindungsgemäße Betrieb des
Brennkraftzellentrennelements beschrieben.
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Obwohl ein Verhältnis: dG < dW oder ein Verhältnis: SG < SW in dem
Trennelement gemäß dem Stand der Technik erfüllt ist, das
Verhältnis: dG ≥ dW oder das Verhältnis: SG ≥ SW in dem
Trennelement gemäß Stand der Technik erfüllt ist, ist das
Verhältnis dG < dW oder das Verhältnis SG ≥ SW in dem
Brennstoffzellentrennelement gemäß der Erfindung erfüllt. Wenn
daher die Gasströmungskanalbreite dG der Erfindung gleich zu der
Gasströmungskanalbreite dG gemäß dem Stand der Technik ist, ist
die Kühlmittelströmungskanalbreite dG der Erfindung kleiner als
die Kühlmittelströmungskanalbreite dW gemäß Stand der Technik.
Selbst in dem Fall, in dem der Abstand D der Erfindung gleich zu
dem Abstand D gemäß dem Stand der Technik ist, die
Kühlmittelströmungskanalbreite dW gemäß dem Stand der Technik und
die Gasströmungskanalbreite dG gemäß dem Stand der Technik.
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Da die Kühlmittelströmungskanalbreite dW verringert ist, sind die
Flächen von Diffusionsschichten 13, 16, die durch
Rillenbodenabschnitte des Kühlmittelströmungskanals des
Trennelements gepresst werden, verringert und die Flächen dieser
Abschnitte der Diffusionsschichten, die eine schlechte
Diffusionsfähigkeit von Gas zu katalytischen Schichten 12, 15
vorweisen, sind verringert. Als ein Ergebnis werden die Flächen
von Zellen, die wirksam verwendet werden können, um Elektrizität
zu erzeugen (die Flächen der katalytischen Schichten, denen eine
ausreichende Menge von Gas diffusiv zugeführt wird) erhöht.
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Da ferner die Kühlmittelströmungskanalbreite dW verringert ist,
ist die Menge von Kühlwasser verringert. Daher wird verhindert,
dass die Zellen übermäßig gekühlt werden und die thermische
Kapazität von Kühlwasser wird ebenso verringert, was eine
verbesserte Steuerbarkeit bringt. Da ferner übermäßiges Kühlen
verhindert wird, wird ein stromabwärts liegender
Oxidationsgasabschnitt davon abgehalten, durch Wasser das
erzeugt wurde, geflutet zu werden.
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Da die Strömungskanal definierenden Abschnitte der
Metalltrennelemente 18A, 18B aus dem Metall hergestellt sind,
das eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine relativ geringe
thermische Kapazität aufweist, neigt das Kühlen dazu, übermäßig
zu sein. Solange jedoch das Verhältnis: dG > dW oder das
Verhältnis: SG > SW erfüllt ist, ist die Kühlwassermenge gering
und übermäßiges Kühlen kann verhindert werden.
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Ein Brennstoffzellentrennelement wird so gepresst, dass eine
seiner Seiten einen Gasströmungskanal und die andere seiner
Seiten einen Kühlmittelströmungskanal definiert. Eine Breite dG
und eine Querschnittsfläche SG des Gasströmungskanals und eine
Breite dW und eine Querschnittsfläche SW des
Kühlmittelströmungskanals erfüllen ein Verhältnis dG ≥ dW oder
ein Verhältnis SG ≥ SW.