DE112008000538T5

DE112008000538T5 - Brennstoffzelle

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Publication number: DE112008000538T5
Application number: DE112008000538T
Authority: DE
Inventors: Kazunori Toyota-shi Shibata; Masaaki Toyota-shi Kondo; Tomohiro Toyota-shi Ogawa; Sogo Toyota-shi Goto; Takashi Toyota-shi Kajiwara; Tsutomu Toyota-shi Shirakawa; Yuichi Toyota-shi Yagami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2010-01-07
Also published as: JP2008243788A; CA2678594A1; CN101632190B; CA2678594C; US20100323270A1; CN101632190A

Abstract

Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Merkmale aufweist:
eine Elektrolytmembran;
eine anodenbildende Schicht, die auf einer Außenseite von einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist und die eine Anode beinhaltet;
eine Kathode, die auf einer Außenseite einer anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist; und
einen Gaseinführbereich zum Einführen eines Brenngases in die anodenbildende Schicht,
wobei die anodenbildende Schicht mit einem Trennwandbereich versehen ist, der in einer Dickenrichtung der anodenbildenden Schicht von einer Seite der anodenbildenden Schicht gegenüber einer Seite der anodenbildenden Schicht ausgebildet ist, wo die Elektrolytmembran positioniert ist, und der zumindest einen Bereich der anodenbildenden Schicht in eine Mehrzahl von Blöcken unterteilt, und der eine Bewegung eines Gases zwischen benachbarten Blöcken einschränkt, und
wobei der Gaseinführbereich einen Gasleitungsbereich aufweist, durch den das Brenngas gelangen kann, und das Brenngas über den Gasleitungsbereich in die Blöcke einführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik.
Brennstoffzellen, die eine Leistung durch elektrochemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, sind als Quelle zur Gewinnung von Energie immer interessanter geworden. Eine derartige Brennstoffzelle weist im Allgemeinen eine Membranelektrodenanordnung (die nachstehend als „MEA” bezeichnet wird) auf, in der eine Anode auf einer Seitenoberfläche einer Elektrodenmembran ausgebildet ist und eine Kathode auf der anderen Seite derselben ausgebildet ist. In dieser Brennstoffzelle ist ein kanalbildendes Element, das einen Brenngaszuführkanal bildet, auf der Anode angeordnet (siehe japanische Patentanmeldungsveröffentlichungsschrift 2004-6104 ( JP-A-2004-6104 ). Außerdem ist das häufig verwendete kanalbildende Element ein elektrisch leitfähiger poröser Körper oder dergleichen. Darüber hinaus weist die Anode oder die Kathode gelegentlich eine Gasdiffusionsschicht sowie eine Katalysatorschicht auf.
Im Allgemeinen handelt es sich bei dem in den Brennstoffzellen verwendeten Oxidationsgas um Luft oder ein Gasgemisch aus Luft und Sauerstoff, etc. In einem solchen Fall kann ein in der Luft enthaltener Stickstoff von der Kathodenseite zur Anodenseite ausströmen bzw. austreten. In diesem Zusammenhang besteht auch die Möglichkeit, dass der Stickstoff oder dergleichen, der kathodenseitig ausströmt (und nachstehend auch als ein ausströmendes Gas bezeichnet wird), in einem Brenngaszuführkanal auf der Anodenseite zurückbleiben kann. Wenn ein solches ausströmendes Gas somit im Brenngaszuführkanal zurückbleibt, besteht die Möglichkeit, dass das Brenngas der Anode (Anodenoberfläche) nicht fein verteilt zugeführt werden kann und es somit in einigen Bereichen der Anode zu einer lokal mangelhaften Zuführung des Brenngases kommen und die Leistungserzeugung in diesen Bereichen eingeschränkt sein kann. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass es insgesamt zu einem Rückgang der Leistungserzeugungseffizienz kommen kann.
Insbesondere ist das Problem häufig bei Brennstoffzellen ohne Rückführeinrichtung an der Anode bzw. „Anode Dead-End Operation-Type Fuel Cells” anzutreffen (die z. B. in einem Modus arbeiten, in dem die gesamte Menge des Brenngases, das dem Brenngaszuführkanal zugeführt wird, an der Anode verbraucht wird, um Leistung zu erzeugen). Darüber hinaus betrifft das vorstehend erwähnte Problem nicht nur den Fall, in dem es darum geht, dass das ausströmende Gas zurückbleibt, sondern es kann auch in dem Fall auftreten, in dem es eine andere Substanz als Wasserstoff, die dem Brenngas beigefügt worden ist, zurückbleibt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft eine Technologie für Brennstoffzellen, durch die das Brenngas der Anode in fein verteilter Form zugeführt werden kann.
Die Erfindung ist entwickelt worden, um zumindest einen Teil der vorstehend erläuterten Aufgabe zu lösen, und kann in den nachstehend erläuterten Formen und Anwendungen realisiert werden.
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die folgende Merkmale beinhaltet: eine anodenbildende Schicht, die auf einer Außenseite einer Oberfläche einer Elektrolytmembran angeordnet ist und die eine Anode beinhaltet; eine Kathode, die auf einer Außenseite einer weiteren Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, einen Trennwandbereich, der in der anodenbildenden Schicht in einer Dickenrichtung derselben ausgebildet ist und der zumindest eine Oberfläche einer anodenbildenden Schicht entfernt von der Elektrolytmembran in eine Mehrzahl von Blöcken unterteilt und der eine Bewegung eines Gases zwischen benachbarten Blöcken einschränkt bzw. verhindert; und einen Gaseinführbereich, der einen Gasleitungsbereich aufweist, der ermöglicht, dass sich das Brenngas hindurchbewegen kann, und der das Brenngas über den Gasleitungsbereich in die Blöcke einführt, die durch den Trennwandbereich unterteilt sind.
Gemäß der wie vorstehend beschrieben konstruierten Brennstoffzelle kann das Brenngas der Anode in der Brennstoffzelle in fein verteilter Form zugeführt werden.
In der Brennstoffzelle des vorhergehenden Aspekts können die unterteilten Blöcke so angeordnet sein, dass ein Block mit einem Gasleitungsbereich korrespondiert.
Durch diese Konstruktion kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, wie z. B. ein ausströmendes Gas oder dergleichen, lokal in einem Block zurückbleiben.
In der Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts können die unterteilten Blöcke in bienenwabenförmig ausgebildet sein. Die Blöcke können übrigens auch von der Dickenrichtung der Anode aus betrachtet bienenwabenförmig ausgebildet sind.
Mit dieser Konstruktion kann sich das Brenngas ohne Weiteres in die Ecken eines jeweiligen Blocks verteilen.
Die Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts kann ferner einen Oxidationsgaskanal bildenden Bereich beinhalten, der auf einer Außenseite der Kathode angeordnet ist und der einen Oxidationsgaszuführkanal zum Zuführen eines Oxidationsgases in einer Richtung entlang einer Oberfläche der Kathode ausbildet. Was die unterteilten Blöcke angeht, so kann ein Block, der mit einer Seite stromauf in einer Strömungsrichtung des in dem Oxidationsgaszuführkanal strömenden Oxidationsgases korrespondiert, ein kleineres Volumen aufweisen als ein Block, der mit einer stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung korrespondiert.
Mit dieser Konstruktion können Bereichen der Anode, in denen die erzeugte Strommenge groß ist, große Brenngasmengen zugeführt werden, und somit kann die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle verbessert werden.
Die Brennstoffzelle des vorhergehenden Aspekts kann ferner einen Oxidationsgaskanal bildenden Bereich beinhalten, der auf einer Außenseite der Kathode angeordnet ist und der einen Oxidationsgaszuführkanal zum Zuführen eines Oxidationsgases in einer Richtung entlang der Oberfläche der Kathode ausbildet. Was die unterteilten Blöcke angeht kann ein Block, der mit einer stromabwärtigen Seite in einer Strömungsrichtung des in dem Oxidationsgaszuführkanal strömenden Oxidationsgases korrespondiert, eine höhere Gasdurchlässigkeit aufweisen als ein Block, der mit einer stromauf befindlichen Seite in der Strömungsrichtung korrespondiert.
Mit dieser Konstruktion kann die Verringerung der zugeführten Brenngasmenge in einem Bereich der Anode verhindert werden, der mit der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases korrespondiert. Die Leistungserzeugungseffizienz wird in dem Bereich dementsprechend erhöht, so dass die Leistungserzeugungseffizienz verbessert werden kann.
In der Brennstoffzelle des vorhergehenden Aspekts kann der Trennwandbereich so ausgebildet sein, dass jeder Block eine Kuppelform aufweist, deren oberer Bereich einer Richtung zu einer Außenseite der Anode zugewandt ist, d. h. einer von einer Seite der Anode entfernten Richtung, wo die Elektrolytmembran positioniert ist. Unter dem Begriff Kuppelform sind im Übrigen weitestgehend Formen zu verstehen, deren Querschnitt sich allmählich verjüngt oder verbreitert. Darüber hinaus ist die hierin erwähnte Kuppelform nicht auf eine Form begrenzt, deren oberer Bereich abgerundet ausgebildet ist.
Mit dieser Konstruktion kann sich das in einen jeweiligen Block eingeführte Brenngas ohne Weiteres in dem Block entlang der Wandoberfläche des Trennwandbereichs verteilen. Somit nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass eine Verunreinigung, wie z. B. das ausströmende Gas oder dergleichen, in den Blöcken zurückbleiben kann, und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle kann somit verbessert werden.
In der Brennstoffzelle des vorhergehenden Aspekts kann der Trennwandbereich so ausgebildet sein, dass er an einer Seite der anodenbildenden Schicht, die der Elektrolytmembran relativ nah ist, dünner ausgebildet ist als an einer Seite der anodenbildenden Schicht, die von der Elektrolytmembran relativ entfernt angeordnet ist.
Mit dieser Konstruktion wird die katalysatorschichtkontaktierende Fläche in einem jeweiligen Block größer, so dass das sich in jedem Block verteilende Brenngas der Katalysatorschicht in einer größeren Menge zugeführt werden kann. Dadurch wird die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle verbessert.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann eine anodenbildende Schicht eine Katalysatorschicht, die auf einer Außenseite von einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Gasdiffusionsschicht beinhalten, die auf einer Außenseite der Katalysatorschicht angeordnet ist, und der Trennwandbereich kann zumindest in der Gasdiffusionsschicht ausgebildet sein.
Mit dieser Konstruktion kann das Brenngas der Katalysatorschicht in fein verteilter Form zugeführt werden.
In der Brennstoffzelle gemäß dem vorangehenden Aspekt kann der Trennwandbereich in der Gasdiffusionsschicht ausgebildet sein, ohne dabei die Katalysatorschicht zu kontaktieren.
Durch diese Konstruktion wird verhindert, dass die Katalystorschicht durch den Trennwandbereich beschädigt wird.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann es sich bei dem Gaseinführbereich um einen elektrisch leitfähigen Schichtbereich handeln, der als Schicht ausgebildet und gasdurchlässig ist und auf einer Außenseite der anodenbildenden Schicht angeordnet ist, und der Gasleitungsbereich kann eine Mehrzahl von Durchgangslöchern aufweisen, die entlang einer Ebene der Schicht des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs fein verteilt angeordnet sind, und die Brennstoffzelle kann ferner einen Brenngaskanal bildenden Bereich beinhalten, der auf einer Außenseite des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs angeordnet ist und der einen Brenngaszuführkanal zum Zuführen des Brenngases in einer Richtung entlang einer Ebene des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs ausbildet.
Diese Konstruktion verhindert, dass eine Verunreinigung, wie das ausströmende Gas oder dergleichen, in den Brenngaszuführkanal von der Seite der anodenbildenden Schicht eindringt, und verhindert, dass eine Verunreinigung, wie z. B. das ausströmende Gas oder dergleichen, indem Brenngaszuführkanal zurückbleibt. Somit ist eine fein verteilte Zuführung des Brenngas zur Anode möglich.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann die Anode eine niedrigere Gasdurchlässigkeit aufweisen als der Brenngaszuführkanal, der durch den Brenngaskanal bildenden Bereich ausgebildet ist.
Mit dieser Konstruktion kann die Diffusion des durch die Durchgangslöcher der elektrisch leitfähigen Schicht zugeführten Brenngases in einem jeweiligen Block der Anode unterstützt werden.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts können die Durchgangslöcher, die in dem elektrisch leitfähigen Schichtbereich angeordnet sind, in Bezug auf eine Dickenrichtung des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs schräg verlaufend angeordnet sein.
Mit dieser Konstruktion verteilt sich das in die Blöcke durch die Durchgangslöcher eingeführte Brenngas ohne Weiteres in den einzelnen Blöcken. Somit verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass das ausströmende Gas in den Blöcken zurückbleibt, und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle kann verbessert werden.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann der Gaseinführbereich ein rohrförmiges Element sein, durch dessen Inneres das Brenngas gelangt, und bei dem Gasleitungsbereich kann es sich um eine Mehrzahl von Durchgangslöchern handeln, die in dem rohrförmigen Element fein verteilt angeordnet sind.
Durch diese Konstruktion werden Variationen in der Menge des der Anode zugeführten Brenngases verringert.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann der Gaseinführbereich ein rohrförmiges Element sein, durch dessen Inneres das Brenngas gelangt, und bei dem Gasleitungsbereich des Gaseinführbereichs kann es sich einen Öffnungsbereich handeln, der in einem Endbereich des rohrförmigen Elements angeordnet ist.
Durch diese Konstruktion wird die Variation in der Menge des der Anode zugeführten Brenngases reduziert.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann im Wesentlichen die gesamte Menge der einem jeden Block zugeführten Brenngases an der Anode verbraucht werden.
In der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle kann insbesondere durch die Bereitstellung der oben angeführten Konstruktionen der Brennstoffzelle verhindert werden, dass ein inertes Gas, wie z. B. das ausströmende Gas oder ähnliches, zurückbleibt, und dass das Brenngas der Anode fein verteilt zugeführt wird.
In der Brennstoffzelle des vorangehenden Aspekts kann eine Anodenseite der Brennstoffzelle eine geschlossene Struktur aufweisen, in der das der Anode zugeführte Brenngas nicht nach außen abgeführt wird.
In der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle kann insbesondere durch die Bereitstellung der vorstehend erläuterten Konstruktionen der Brennstoffzelle das Zurück bleiben eines inerten Gases, wie z. B. des ausströmenden Gases, verhindert und die Zuführung des Brenngases zur Anode in fein verteilter Form ermöglicht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der zur Bezeichnung von identischen Elementen identische Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
1A u. 1B sind veranschaulichende Diagramme eines Brennstoffzellensystems 100 und einer Brennstoffzelle 100;
2 ist eine Seitenansicht der Brennstoffzelle 100;
3 ist eine Vorderansicht einer Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung (eine von der rechten Seite erstellte Ansicht der Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung in 2);
4 ist eine Schnittansicht, die einen Bereich eines Abschnitts der Leistungserzeugungsvorrichtung 200 mit integrierter Dichtung darstellt, die auf der Linie IV-IV in 3 erstellt worden ist;
5A u. 5B sind Vorderansichten einer elektrisch leitfähigen Schicht 860 und einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B;
6 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Form einer Kathodenplatte 400 eines Separators 600 darstellt;
7 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Form einer Anodenplatte 300 des Separators 600 darstellt;
8 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Form einer Zwischenplatte 500 des Separators 600 darstellt;
9 ist eine Vorderansicht des Separators 600;
10A u. 10B sind veranschaulichende Diagramme, die die Strömungen der Reaktionsgase innerhalb der Brennstoffzelle 100 einer Ausführungsform der Erfindung darstellen;
11 ist eine vergrößerte Ansicht eines X-Bereichs, der in 10B gezeigt ist;
12 ist ein Diagramm einer Brennstoffzelle als ein Vergleichsbeispiel, das darstellt, wie das Brenngas in einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B diffundiert, die keinen Trennwandbereich 825 aufweist;
13 ist eine Vordersicht einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in einer Brennstoffzelle 100A gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
14A u. 14B sind Vorderansichten einer elektrisch leitfähigen Schicht 860A und einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in einer Brennstoffzelle 100B gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
15 ist eine Vorderansicht einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1 in einer Brennstoffzelle 1000 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
16 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strömungen des Brenngases auf der Anodenseite in einer Brennstoffzelle 100D einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
17 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strömungen des Brenngases auf der Anodenseite in einer Brennstoffzelle 100E einer sechsten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
18 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strömungen des Brenngases auf der Anodenseite in einer Brennstoffzelle 100F gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
19 ist ein Diagramm, das die Trennwandbereiche 825E einer Brennstoffzelle in einer Modifizierung 1 beschreibt;
20 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion in einer ersten Modifizierung eines Duschkanals darstellt;
21 ist en veranschaulichendes Diagramm, das Funktionen einer Dispersionsplatte 2100 darstellt;
22 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion in einer zweiten Modifizierung des Duschkanals darstellt;
23 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Dispersionsplatte 2102 darstellt, die durch Verwendung eines Pressmetalls in einer dritten Modifizierung des Duschkanals konstruiert ist;
24 ist ein schematisches Diagramm, das einen entlang der Linie XXIV-XXIV in 23 erstellten Abschnitt darstellt;
25 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion darstellt, in der die Kanäle innerhalb einer Dispersionsplatte 2014hm in einer vierten Modifizierung des Duschkanals ausgebildet sind;
26 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion darstellt, in der eine Dispersionsplatte 2014hp durch Verwendung von Rohren in einer fünften Modifizierung des Duschkanals ausgebildet ist.
27 ist ein schematisches Diagramm, das ein Konstruktionsbeispiel darstellt, in dem ein sogenannter Abzweigungskanal-Brenngaszuführkanal verwendet wird;
28A u. 28B sind schematische Diagramme, die Konstruktionsbeispiele von kanalbildenden Elementen darstellen, die jeweils einen serpentinenförmigen Kanal in Zickzack-Kanalform aufweisen.
29 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Innenkonstruktion einer Zirkulationsweg-Brennstoffzelle 6000 in einer Modifizierung des Brenngaszuführkanals darstellt;
30 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strömungen des Brenngases in einer ersten Modifizierung der Brenngaskonfiguration darstellt;
31 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strömungen des Brenngases in einer zweiten Modifizierungen der Brenngaszuführkonfiguration darstellt;
32 ist ein Diagramm, das ein Konstruktionsbeispiel der Brennstoffzelle der Erfindung darstellt (Beispiel Nr. 1 dieser Art) darstellt; und
33 ist ein Diagramm, das ein Konstruktionsbeispiel der Brennstoffzelle der Erfindung (Beispiel Nr. 2 dieser Art) darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Brennstoffzellen gemäß der Erfindung werden nachstehend basierend auf den Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
A. ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM: A1. KONSTRUKTION EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS 1000:
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung einer allgemeinen Konstruktion eines Brennstoffzellensystems 1000 mit einer Brennstoffzelle 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die 1A und 1B sind veranschaulichende Diagramme des Brennstoffzellensystems 1000 und der Brennstoffzelle 100. Genauer gesagt, handelt es sich bei 1A um ein Blockdiagramm des Brennstoffzellensystems 1000, und bei 1B um ein Außenkonstruktionsdiagramm der Brennstoffzelle 100. Dieses Brennstoffzellensystem 1000, wie in 1A gezeigt ist, ist hauptsächlich mit der Brennstoffzelle 100, einem Hochdruck-Wasserstofftank 1100, einem Luftkompressor 1200, einem Wasserstoffsperrventil 1120, einem Regler 1130 und einem Steuerbereich 1300 ausgestattet.
Der Hochdruck-Wasserstofftank 1100 speichert einen Wasserstoff als Brenngas der Brennstoffzelle 100. Der Hochdruck-Wasserstofftank 1100 ist durch eine Wasserstoffzuführleitung 1100 mit einem Brenngaszuführverteiler (der nachstehend beschrieben wird) der Brennstoffzelle 100 verbunden. Die Wasserstoffzuführleitung 1100 ist mit dem Wasserstoffsperrventil 1120 auf einer stromauf befindlichen Seite versehen, und mit dem Regler 1130 auf einer stromabwärtigen Seite zum Einstellen des Wasserstoffdrucks.
Der Luftkompressor 1200 führt der Brennstoffzelle 100 als Oxidationsgas eine mit hohem Druck beaufschlagte Luft zu. Der Luftkompressor 1200 ist durch eine Luftzuführleitung 1210 mit einem Oxidationsgas-Zuführverteiler (der nachstehend beschrieben wird) der Brennstoffzelle 100 verbunden. Die Luftzuführleitung 1210 kann mit einer Befeuchtungseinrichtung versehen sein. Die Menge des Oxidationsgases, das nicht an der elektrochemischen Reaktion an der Kathode der Brennstoffzelle 100 beteiligt ist, wird nach außerhalb der Brennstoffzelle 100 über eine Abführleitung 1220 abgeführt, die mit einem Oxidationsgas-Abführverteiler (der nachstehend beschrieben ist) verbunden ist.
Der Steuerungsbereich 1300 ist als ein Logikschaltkreis mit einem Mikrocomputer als Zentraleinheit konstruiert. Insbesondere ist der Steuerungsbereich 1300 mit einer CPU (nicht gezeigt), die vorbestimmte Berechnungen und dergleichen ausführt, indem voreingestellte Steuerprogramme befolgt werden, einem ROM (nicht gezeigt), in dem die Steuerprogramme, Steuerdaten etc., die für die CPU benötigt werden, im Voraus gespeichert werden, um verschiedene Berechnungsprozesse auszuführen, einem RAM (nicht gezeigt), in den verschiedene Daten, die für die CPU zum Ausführen verschiedener Berechnungsprozesse benötigt werden, vorübergehend geschrieben und ausgelesen werden, und Eingangs-/Ausgangs-Ports (nicht gezeigt) ausgestattet, die verschiedene Signale etc. eingeben/ausgeben. Der Steuerungsbereich 1300 ist mit dem Wasserstoffsperrventil 1120, dem Luftkompressor 1200 etc. über Signalleitungen verbunden, und steuert diese Geräte und dergleichen, um eine Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 zu erreichen.
A2. KONSTRUKTION DER BRENNSTOFFZELLE 100:
2 ist eine Seitenansicht der Brennstoffzelle 100. Wie in 1B oder 2 gezeigt ist, weist die Brennstoffzelle 100 eine Struktur (eine sogenannte Stapelstruktur) auf, in der Leistungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung und Separatoren 600 abwechselnd aneinandergestapelt sind. Hergestellt wird die Brennstoffzelle 100, indem vorbestimmte Anzahlen von Leistungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung und Separatoren 600 aneinandergestapelt werden, und diese so aneinanderbefestigt werden, dass eine vorbestimmte Haltekraft in der Richtung wirkt, in der sie aneinandergestapelt sind (wobei diese Richtung nachstehend als Stapelrichtung bezeichnet wird). Obgleich im Übrigen in 2 zwischen den einzelnen Leistungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung und den einzelnen Separatoren 600 Räume vorgesehen sind, existieren diese Räume in Wirklichkeit nicht, und die Leis tungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung und die Separatoren 600 kontaktieren einander. Die Richtung, in der die Leistungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung und die Separatoren 600 aneinandergestapelt sind, wird ebenfalls als Stapelrichtung bezeichnet. Auf ein Dichtungselement 700 (Rippe 720) wird in der Beschreibung später ausführlicher eingegangen.
Wie in 1B gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 100 mit einem Oxidationsgas-Zuführverteiler 110 versehen, in dem das Oxidationsgas zugeführt wird, einem Oxidationsgas-Abführverteiler 120 zum Abführen des Oxidationsgases, einem Brenngas-Zuführverteiler 130, in dem das Brenngas zugeführt wird, einem Kühlmedium-Zuführverteiler 150 zum Zuführen eines Kühlmediums und einem Kühlmedium-Abführverteiler 160 zum Abführen des Kühlmediums. Die Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform ist im Übrigen nicht so konstruiert, dass das zur Anodenseite zugeführte Brenngas abgeführt wird. Insbesondere weist die Brennstoffzelle 100 eine geschlossene Struktur auf, in der das zur Anodenseite zugeführte Brenngas nicht nach außen abgeführt wird (wobei diese Struktur nachstehend als Struktur ohne Rückführeinrichtung an der Anode bezeichnet wird). Die Brennstoffzelle 100 ist daher nicht mit einem Brenngas-Abführverteiler zum Abführen des Brenngases versehen. Daneben handelt es sich bei dem in dieser Konstruktion verwendeten Oxidationsgas um Luft und bei dem Brenngas um einen Wasserstoff. Das hierin verwendete Kühlmittel kann Wasser, eine kältebeständige bzw. nicht gefrierende Flüssigkeit, wie z. B. Ethylenglykol oder dergleichen, Luft etc. sein. Das hierin verwendete Oxidationsgas kann ein Gasgemisch sein, das durch Mischen einer hohen Konzentration von Sauerstoff mit Luft erhalten wird. Darüber hinaus wird die Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform mit einem unter relativ hohem Druck stehenden Brenngas versorgt.
A3. LEISTUNGSERZEUGUNGSANORDNUNG 200 MIT INTEGRIERTER DICHTUNG:
3 ist eine Vorderansicht einer Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung (wobei in 2 eine Ansicht von der rechten Seite der Leistungserzeugungsanordnung mit integrierter Dichtung erstellt worden ist). 4 ist eine Schnittan sicht, die einen Bereich eines Abschnitts der Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung darstellt und auf einer Linie IV-IV in 3 erstellt worden ist. 4 zeigt neben der Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung zwei Separatoren 600, die bei der Konstruktion einer Brennstoffzelle die Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung sandwichartig umgeben.
Die Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung ist aus einem Schichtungselement 800 und einem Dichtungselement 700 konstruiert, wie in 2, 3 und 4 gezeigt ist.
Das Schichtungselement 800, das in 4 gezeigt ist, ist mit einer Membranelektrodenanordnung (die nachstehend auch als „MEA” bezeichnet wird) 24, einer elektrisch leitfähigen Schicht 860, einem anodenseitigen porösen Körper 840 und einem kathodenseitigen porösen Körper 850 versehen. Die elektrisch leitfähige Schicht 860 ist zwischen der MEA 24 und dem anodenseitigen porösen Körper 840 angeordnet.
Die MEA 24 ist mit einer Elektrolytmembran 810, einer Anode 820 und einer Kathode 830 versehen. Die Elektrolytmembran 810 dient beispielsweise als Ionenaustauschmembran, die aus einem Harzmaterial auf Fluorbasis oder einem Harzmaterial auf Kohlenwasserstoffbasis gebildet ist und in einem feuchten Zustand eine hohe Innenleitfähigkeit aufweist. Die Anode 820 besteht aus einer Katalysatorschicht 820A, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 810 angeordnet ist, und einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B, die auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 820A angeordnet ist, die sich entfernt von der Elektrolytmembran 810 befindet. Die Kathode 830 besteht aus einer Katalysatorschicht 830A, die auf der anderen Seitenoberfläche der Elektrolytmembran 810 angeordnet ist, und einer kathodenseitigen Diffusionsschicht 830B, die auf einer Seitenoberfläche der Katalysatorenschicht 830A angeordnet ist, die sich von der Elektrolytmembran 810 entfernt befindet. Die Katalysatorschicht 820A und die Katalysatorschicht 830A sind jeweils aus einem Katalysatortragkörper, der einen Katalysator (z. B. Platin oder dergleichen) trägt, und einem Elektrolyten gebildet. Die anodenseitige Diffusionsschicht 820B und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830B sind jeweils aus einem porösen Material gebildet, das ein Gasdiffusi onsvermögen und eine elektrische Leitfähigkeit aufweist; die beiden Schichten sind beispielsweise aus einem Kohlenstoffgewebe gebildet, das erhalten wird, indem ein Kohlenstofffasergarn, ein Kohlenstoffpapier, ein Kohlenstofffilz, ein poröser Metallkörper etc. ineinander verwoben werden. Die MEA 24 weist eine rechtwinkelige Form auf. Im Übrigen sind die Trennwandbereiche 825 innerhalb der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ausgebildet, und auf diesbezügliche Einzelheiten wird in der Beschreibung später eingegangen.
Der anodenseitige poröse Körper 840 und der kathodenseitige poröse Körper 850 sind jeweils aus einem porösen Material gebildet, das ein Gasdiffusionsvermögen und eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. eine poröse Metallsubstanz oder dergleichen; dazu kann z. B. ein expandiertes Metall, ein gestanztes Metall, eine Maschenstruktur, ein Filz etc. verwendet werden. Wenn die Leistungserzeugungsanordnung 200 mit einer integrierten Dichtung und die Separatoren 600 für die Konstruktion einer Brennstoffzelle 100 aneinandergestapelt werden, kontaktieren der anodenseitige poröse Körper 840 und der kathodenseitige poröse Körper 850 jeweils die Leistungserzeugungsbereiche DA (auf die später eingegangen wird) der Separatoren 600. Ferner fungiert der anodenseitige poröse Körper 840, auf den später eingegangen wird, als ein Brenngaszuführkanal zum Zuführen des Brenngases zur Anode 820. Der kathodenseitige poröse Körper 850, wie nachstehend beschrieben, fungiert als ein Oxidationsgaszuführkanal zum Zuführen des Oxidationsgases zur Kathode 830. Im Übrigen weisen die anodenseitige Diffusionsschicht 820B und die kathodenseitige Diffusionsschicht 830B, die hierin verwendet werden, einen niedrigeren inneren Gasströmungswiderstand auf als der anodenseitige poröse Körper 840 bzw. der kathodenseitige poröse Körper 850, d. h. eine höhere Gasdurchlässigkeit als der anodenseitige poröse Körper 840 und der kathodenseitige poröse Körper 850.
5A ist eine Vorderansicht der elektrisch leitfähigen Schicht 860, und 5B ist eine Vorderansicht der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B. Genauer gesagt zeigt 5A eine Ansicht der elektrisch leitfähigen Schicht 860, die 4 oben entnommen wurde, und 5B zeigt eine Ansicht der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B, die 4 oben entnommen wurde. Im Übrigen zeigt 5B eine Konstruktion, in der die anodenseitige Diffusionsschicht 820B mit der elektrisch leitfähigen Schicht 860 aneinandergestapelt ist, und die Positionen in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B, die den Durchgangslöchern 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860 entsprechen, sind durch gestrichelte Linien gezeigt.
Die elektrisch leitfähige Schicht 860 ist schichtförmig (dünnfilmförmig) ausgebildet, wie in 5A gezeigt ist, und weist viele Durchgangslöcher 865 auf, die auf der Oberfläche fein verteilt angeordnet sind. Die Durchgangslöcher 865 sind kreisförmig und weisen den gleichen Öffnungsdurchmesser auf (d. h. sie sind identisch geformt) und erstrecken sich durch die elektrisch leitfähige Schicht 860 in der Dickenrichtung (der Stapelrichtung) und sind an den Positionen angeordnet, auf die später eingegangen wird. Das Verhältnis zwischen der Fläche der Öffnungen der Durchgangslöcher 865 und der Fläche der Schichtoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 wird als numerische Apertur bezeichnet. Die numerische Apertur der elektrisch leitfähigen Schicht 860 ist relativ gering angesetzt. Die numerische Apertur der elektrisch leitfähigen Schicht 860 beträgt vorzugsweise weniger als 5% und noch bevorzugter weniger als 3%, und ganz besonders bevorzugt wird ein Prozentsatz von weniger als 1%. In der elektrisch leitfähigen Schicht 860 ist daher der Öffnungsdurchmesser der Durchgangslöcher 865 relativ klein, und der Abstand zwischen den Durchgangslöchern 865 ist relativ breit. Dementsprechend erfährt das Brenngas, das durch die Durchgangslöcher 865 geleitet wird, einen hohen Druckverlust. Diese elektrisch leitfähige Schicht 860 ist aus Gold gebildet und wird durch Thermokompressionsbonden, Löten, Schweißen oder dergleichen mit einer Seitenoberfläche des anodenseitigen porösen Körpers 840 verbunden. Im Übrigen ist in 5A und 5B der Öffnungsdurchmesser der Durchgangslöcher 865 zur besseren Erkennbarkeit relativ groß dargestellt. In der nachstehenden Beschreibung werden die Richtungen entlang der Ebene eines jeweiligen Elements des Schichtungselements 800 in der Brennstoffzelle 100 auch als planare Richtungen bezeichnet.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Trennwandbereiche 825, die in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ausgebildet sind. Die Trennwandbereiche 825 erstrecken sich parallel zueinander in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) von der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 zur Seitenoberfläche der Katalysatorschicht 820A, wie in 4 gezeigt ist. Darüber hinaus sind die Trennwandbereiche 825 wie folgt angeordnet. Das heißt, dass, wie in 5 gezeigt ist, die Trennwandbereiche 825 in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B die Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 gitterförmig in eine Mehrzahl von Blöcken aufteilen (wobei nachstehend jeder Block als ein Block BL bezeichnet wird). In dieser Konstruktion sind die Durchgangslöcher 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860 so angeordnet, dass sie mit den unterteilten Blöcken eins zu eins korrespondieren (mit diesen verbunden sind). Die Trennwandbereiche 825 werden ausgebildet, indem Bereiche der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 von der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B maskiert werden, aber nicht die Bereiche, die die Trennwandbereiche 825 ausbilden, und dann die anodenseitige Diffusionsschicht 820B mit einem Harz imprägniert werden, während die Maskierung erhalten bleibt. Die so gebildeten Trennwandbereiche 825 schränken die Bewegungen des Gases zwischen den Blöcken BL in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ein. Im Übrigen kann es sich bei dem Harz um ein gasundurchlässiges Harz handeln; so kann z. B. ein Expoxidharz, PE-Harz, Fluorkohlenstoffharz, ein Silikonharz, ABS-Harz, PP-Harz oder dergleichen verwendet werden.
Das Abdichtungselement 700 ist um einen äußeren Umfang des Schichtungselements 800 angeordnet, das in den planaren Richtungen positioniert ist. Das Abdichtungselement 700 wird durch Spritzgießen eines Formmaterials hergestellt und lückenlos und luftdicht in das Außenumfangsende des Schichtungselements 800 integriert. Das Abdichtungselement 700 wird durch ein Material gebildet, das im Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle gasundurchlässig, elastisch und wärmebeständig ist, beispielsweise Kautschuk oder ein Elastomer. Genauer gesagt kann ein Kautschuk auf Silikonbasis, Butylkautschuk, Acrylkautschuk, Naturkautschuk, Fluorkohlenstoffkautschuk, Kautschuk auf Ethylenpropylenbasis, ein Elastomer auf Styrolbasis, ein Fluorkohlenstoffelastomer etc. verwendet werden.
Das Abdichtungselement 700, wie es in 2 bis 4 gezeigt ist, weist einen Trägerbereich 710 und Rippen 720 auf, die auf beiden Seiten des Trägerbereichs 710 ange ordnet sind und Abdichtungsleitungen ausbilden. Wie in 3 gezeigt ist, weist der Trägerbereich 710 Durchgangslöcher (Verteilerlöcher) auf, die mit den Verteilern 110 bis 160 korrespondieren (siehe 1B). Wenn die Leistungserzeugungsanordnung 200 mit einer integrierten Dichtung und die Separatoren 600 aneinandergestapelt sind, liegen die Rippen 720 dicht an den benachbarten Separatoren 600 an, so dass der äußere Umfang der Leistungserzeugungsanordnung mit der integrierten Dichtung abgedichtet wird und somit ein Ausströmen der Reaktionsgase und des Kühlwassers verhindert wird. Die Rippen 720 bilden eine Dichtungsleitung aus, die den gesamten Umfang des Schichtelements 800 umgibt, und Dichtungsleitungen, die die gesamten Umfänge der einzelnen Verteilerlöcher in 3 umgeben.
A4. KONSTRUKTION DES SEPARATORS 600:
6 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Form der Kathodenplatte 400 des Separators 600 darstellt. 7 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Form der Anodenplatte 300 des Separators 600 zeigt. 8 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Form der Zwischenplatte 500 des Separators 600 zeigt. 9 ist eine Vorderansicht des Separators 600.
Unter Bezugnahme auf 6 bis 9 erfolgt eine Beschreibung der Konstruktion des Separators 600. Der Separatur 600 ist aus der Kathodenplatte 400, der Anodenplatte 300 und der Zwischenplatte 500 konstruiert, die in 6 bis 8 gezeigt sind. Im Übrigen zeigen 6, 7 und 8 jeweils die Ansichten der Platten 400, 300 und 500, die von der rechten Seite in 2 erstellt worden sind. Auf die schwarzen und weißen Pfeile in 9 wird später eingegangen.
In 6 bis 9 ist ein Bereich DA, der durch eine gestrichelte Linie in einem mittleren Bereich von jeweils den Platten 300, 400, 500 und dem Separatur 600 gezeigt ist, ein Bereich, der der MEA 24 entspricht, die in dem Schichtungselement 800 einer jeweiligen Leistungserzeugungsanordnung 200 mit integrierter Dichtung gehalten wird, wenn die Separatoren 600 und die Leistungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung aneinandergestapelt werden, um ein Brennstoffzelle 100 zu bilden. Da die MEA 24 ein Bereich ist, in dem die eigentliche Leistungserzeugung stattfindet, wird dieser Bereich nachstehend als der Leistungserzeugungsbereich DA bezeichnet. Da die MEA 24 eine rechteckige Form aufweist, ist natürlich auch der Leistungserzeugungsbereich DA rechteckig.
Die Kathodenplatte 400 (6) ist beispielsweise aus einem rostfreien Stahl gebildet. Die Kathodenplatte 400 weist fünf verteilerbildende Bereiche 422 bis 432, einen Oxidationsgaszuführschlitz 440 und einen Oxidationsgasabführschlitz 444 auf. Die verteilerbildenden Bereiche 422 bis 432 sind Durchgangsöffnungsbereiche zum Ausbilden der vorstehend erwähnten verschiedenen Verteiler, wenn die Brennstoffzelle 100 konstruiert wird. Die verteilerbildenden Bereiche 422 bis 432 sind außerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA angeordnet. Die verteilerbildenden Bereiche 422, 424, die mit dem Oxidationsgas-Zuführverteiler und dem Oxidationsgas-Abführverteiler korrespondieren, sind nämlich außerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA und entlang einem Seitenpaar des Leistungserzeugungsbereichs DA angeordnet, die einander jeweils gegenüberliegen. Die verteilerbildenden Bereiche 430, 432, die mit dem Kühlmittel-Zuführverteiler und dem Kühlmittel-Abführverteiler korrespondieren, sind außerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA und entlang dem anderen Seitenpaar des Leistungserzeugungsbereichs DA angeordnet, die einander jeweils gegenüberliegen. Der Oxidationsgas-Zuführschlitz 440 ist ein längliches Loch mit einer im Allgemeinen rechteckigen Form und ist innerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA und entlang der Oberseite des Leistungserzeugungsbereichs DA (der zum Oxidationsgas-Zuführverteiler benachbarten Seite) angeordnet. Der Oxidationsgas-Abführschlitz 444 ist genauso ein längliches Loch mit einer im allgemeinen rechteckigen Form und ist innerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA und entlang der Unterseite des Leistungserzeugungsbereichs DA (der zum Oxidationsgas-Abführverteiler benachbarten Seite desselben) angeordnet.
Die Anodenplatte 300 (7) ist ähnlich wie die Kathodenplatte 400, z. B. aus einem rostfreien Stahl, ausgebildet. Die Anodenplatte 300 weist ähnlich wie die Kathodenplatte 400 fünf verteilerbildende Bereiche 322 bis 332 und einen Brenngaszuführschlitz 350 auf. Die verteilerbildenden Bereiche 322 bis 332 sind Durchgangsöffnungs bereiche, die zum Ausbilden der vorstehenden verschiedenartigen Verteiler dienen, wenn die Brennstoffzelle 100 konstruiert wird. Wie in der Kathodenplatte 400 sind die verteilerbildenden Bereiche 322 bis 332 außerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA angeordnet. Der Brenngaszuführschlitz 350 ist innerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA und entlang einer Unterseite des Leistungserzeugungsbereichs DA (der zum Oxidationsgas-Abführverteiler benachbarten Seite desselben) angeordnet, so dass er nicht den Oxidationsgas-Zuführschlitz 444 der Kathodenplatte 400 schneidet, wenn der Separator 600 konstruiert wird.
Die Zwischenplatte 500 (8) ist ähnlich wie die Platten 300, 400, z. B. aus rostfreiem Stahl, ausgebildet. Die Zwischenplatte 500 weist als Durchgangsöffnungsbereiche, die dieselbe in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) durchdringen, drei verteilerbildende Bereiche 522 bis 526 zum Zuführen/Abführen eines Reaktionsgases (des Oxidationsgases oder des Brenngases), eine Mehrzahl von Oxidationsgas-Einführkanal bildenden Bereichen 542, eine Mehrzahl von Oxidationsgas-Abführkanal bildenden Bereichen 544 und einen Brenngas-Einführkanal bildenden Bereich 546 auf. Die Zwischenplatte 500 weist ferner eine Mehrzahl von Kühlmittelkanal ausbildenden Bereichen 550 auf. Die verteilerbildenden Bereiche 522 bis 526 sind Durchgangsöffnungsbereiche, die zum Ausbilden der vorstehend angeführten verschiedenen Verteiler dienen, wenn die Brennstoffzelle 100 konstruiert wird. Wie bei der Kathodenplatte 400 und der Anodenplatte 300 sind die verteilerbildenden Bereiche 522 bis 526 außerhalb des Leistungserzeugungsbereichs DA angeordnet.
Jeder der einen Kühlmittelkanal bildenden Bereiche 550 weist eine längliche Lochform auf, die sich über den Leistungserzeugungsbereichs DA in der Richtung von links nach rechts in 8 erstreckt, und zwei Enden desselben reichen bis zur Außenseite des Leistungserzeugungsbereichs DA.
In der Zwischenplatte 500 (8) ist ein Ende eines jeweiligen Oxidationsgas-Einführkanal bildenden Bereichs 542 in Verbindung mit dem verteilerbildenden Bereich 522, d. h. die Oxidationsgas-Einführkanal bildenden Bereiche 542 und der verteilerbildende Bereich 522 bilden zusammen ein kammförmiges Durchgangsloch. Das gegenüberliegende Ende eines jeweiligen der Oxidationsgaseinführkanal bildenden Bereiche 542 erstreckt bis zu einer Position, an der es den Oxidationsgas-Zuführschlitz 440 des Kathodenplatte 400 schneidet, wenn die drei Platten zusammengefügt werden, um den Separator 600 zu konstruieren. Wenn der Separator 600 zusammengebaut ist, bilden dabei die einzelnen Oxidationsgas-Einführkanal bildenden Bereiche 542 mit dem Oxidationsgas-Zuführschlitz 440 eine Verbindung.
In der Zwischenplatte 500 (8) bildet ein Ende eines jeweiligen der Oxidationsgas-Abführkanal bildenden Bereiche 544 mit dem verteilerbildenden Bereich 524 eine Verbindung, d. h. die Oxidationsgasabführkanal bildenden Bereiche 544 und der verteilerbildende Bereich 524 bilden zusammen ein kammförmiges Durchgangsloch. Das gegenüberliegende Ende eines jeweiligen der Oxidationsgas-Abführkanal bildenden Bereiche 544 erstreckt sich bis zu einer Position, an der es den Oxidationsgas-Abführschlitz 444 der Kathodenplatte 400 schneidet, wenn die drei Platten zusammengefügt werden, um den Separator 600 zu konstruieren. Wenn der Separator 600 zusammengebaut ist, bilden dabei die einzelnen Oxidationsgas-Abführkanal bildenden Bereiche 544 mit dem Oxidationsgas-Abführschlitz 444 eine Verbindung.
In der Zwischenplatte 500 (8) bildet ein Ende des Brenngas-Einführkanal bildenden Bereichs 546 mit dem verteilerbildenden Bereich 526 eine Verbindung. Der Brenngaseinführkanal bildende Bereich 546 erstreckt sich entlang der Unterseite des Leistungserzeugungsbereichs DA (der zum verteilerbildenden Bereich 524 benachbarten Seite desselben) bis zu einer Position, wo er die Oxidationsgasabführkanal bildenden Bereiche 544 nicht schneidet. Das gegenüberliegende Ende des Brenngaseinführkanal bildenden Bereichs 546 reicht bis in die Nähe der linken Seite des Leistungserzeugungsbereichs DA (der vom verteilerbildenden Bereich 526 entfernten Seite). Von dem Brenngaseinführkanal bildenden Bereich 546 schneidet ein im Inneren des Leistungserzeugungsbereichs DA positionierter Bereich den Brenngaszuführschlitz 350 der Anodenplatte 300, wenn die drei Platten zusammengefügt sind, um so den Separator 600 zu konstruieren. Wenn der Separator 600 zusammengebaut ist, bildet der Brenngaseinführkanal bildende Bereich 546 mit dem Brenngaszuführschlitz 350 eine Verbindung.
Der Separator 600 (9) wird hergestellt, indem die drei Platten so zusammengefügt werden, dass die Zwischenplatte 500 von der Anodenplatte 300 und der Kathodenplatte 400 sandwichartig umgeben ist, und die Bereiche 150, 160, die jeweils mit dem Kühlmittel-Zuführverteiler 150 und dem Kühlmittel-Abführverteiler 160 korrespondieren, so gestanzt werden, dass die Bereiche 150, 160 freigelegt sind. Bei dem zum Zusammenfügen der drei Platten angewendete Verfahren kann es sich beispielsweise um Thermokompressionsbonden, Löten, Schweißen etc. handeln. Dabei werden ein Separator 600 mit fünf Verteilern 110 bis 160, bei denen es sich in 9 um Durchgangsöffnungsbereiche handelt, eine Mehrzahl von Oxidationsgaseinführkanälen 650, eine Mehrzahl von Oxidationsgasabführkanälen 660, ein Brenngaseinführkanal 630 und eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 670 erhalten.
Wie in 9 gezeigt ist, werden die Oxidationsgaseinführkanäle 650 durch den Oxidationsgas-Zuführschlitz 440 der Kathodenplatte 400 und die Oxidationsgaseinführkanal bildenden Bereiche 542 der Zwischenplatte 500 ausgebildet. Bei den Oxidationsgaseinführkanälen 650 handelt es sich jeweils um innere Kanäle, die innerhalb des Separators 600 verlaufen, und ein Ende derselben bildet eine Verbindung mit dem Oxidationsgas-Zuführverteiler 110, und ein weiteres Ende derselben reicht bis zur Oberfläche auf der Seite der Kathodenplatte 400 (der kathodenseitigen Oberfläche) und weist eine Öffnung in der kathodenseitigen Oberfläche auf. Wie in 9 gezeigt ist, sind die Oxidationsgasabführkanäle 660 durch den Oxidationsgasabführschlitz 444 der Kathodenplatte 440 und die Oxidationsgasabführkanal bildenden Bereiche 544 der Zwischenplatte 500 ausgebildet. Die Oxidationsgasabführkanäle 660 sind jeweils innere Kanäle, die innerhalb des Separators 600 verlaufen, und ein Ende derselben bildet eine Verbindung mit dem Oxidationsgas-Abführverteiler 120, und ein weiteres Ende derselben reicht bis zur kathodenseitigen Oberfläche auf der Seite der Kathodenplatte 400 und weist eine Öffnung in der kathodenseitigen Oberfläche auf.
Wie in 9 gezeigt ist, ist der Brenngaseinführkanal 630 durch den Brenngaszuführschlitz 350 der Anodenplatte 300 und den Brenngaseinführkanal bildenden Bereiche 546 des Zwischenplatte ausgebildet. Bei dem Brenngaseinführkanal 630 handelt es sich um einen inneren Kanal, der an einem Ende desselben mit dem Brenngaszuführ verteiler 130 eine Verbindung bildet, und der an dem anderen Ende desselben eine Öffnung in der anodenseitigen Oberfläche aufweist. Darüber hinaus sind die Kühlmittelkanäle 670 durch die Kühlmittelkanal bildenden Bereiche 550 (8) ausgebildet, die in der Zwischenplatte 500 ausgebildet sind, und bilden jeweils an einem Ende derselben mit dem Kühlmittel-Zuführverteiler 150 und an dem anderen Ende derselben mit dem Kühlmittel-Abführverteiler 160 eine Verbindung.
A5. BETRIEBSABLÄUFE DER BRENNSTOFFZELLE 100
10A und 10B sind jeweils veranschaulichende Diagramme, die die Strömungen der Reaktionsgase im Inneren der Brennstoffzelle 100 der Ausführungsform darstellen. 11 ist eine vergrößerte Ansicht eine X-Bereichs, der in 10B gezeigt ist. Zur besseren Übersichtlichkeit zeigen die 10A und 10B nur einen Zustand, in dem zwei Leistungserzeugungsanordnungen 200 mit integrierter Dichtung und zwei Separatoren 600 aneinandergestapelt sind. 10A zeigt eine Schnittansicht, die einer Linie XA-XA in 9 entspricht. In 10B zeigt die rechte Hälfte der Darstellung eine Schnittansicht, die einer Linie XB2-XB2 in 9 entspricht, und die linke Hälfte derselben zeigt eine Schnittansicht, die einer Linie XB1-XB1 in 9 entspricht. Darüber hinaus sind in 10A, 10B und 11 die Strömungen des Reaktionsgases durch Pfeile dargestellt. In 11 wird die rechte Seite auch als stromaufwärtige Seite und die linke Seite auch als die stromabwärtige Seite bezeichnet, da das Brenngas von rechts nach links strömt.
Die Brennstoffzelle 100 erzeugt mit dem dem Oxidationsgas-Zuführverteiler 100 zugeführten Brenngas und dem dem Brenngaszuführverteiler 130 zugeführten Brenngas eine elektrische Leistung. Während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 wird das Kühlmittel dem Kühlmittel-Zuführverteiler 150 und dann den Kühlmittelkanälen 670 (nicht gezeigt) zugeführt, um den Temperaturanstieg der Brennstoffzelle 100 einzuschränken, der durch die während der Leistungserzeugung entstehende Wärme bewirkt wird. Das in die Kühlmittelkanäle 670 eingeführte Kühlmittel strömt von einem Ende eines jeweiligen Kühlmittelkanals 670 zum anderen Ende desselben, wobei es einem Wärmeaustausch unterzogen wird, und wird dann in den Kühlmittel-Abführverteiler 160 abgeführt (nicht gezeigt).
Das dem Oxidationsgas-Zuführverteiler 110 zugeführte Oxidationsgas wird, wie durch die Pfeile in 10A gezeigt, vom Oxidationsgas-Zuführverteiler 110 durch die Oxidationsgaseinführkanäle 650 bewegt und strömt dann über die Oxidationsgaszuführschlitze 440 in die kathodenseitigen porösen Körper 850 (6). Das Oxidationsgas, das in die kathodenseitigen porösen Körper 850 geströmt ist, strömt, wie durch die weißen Pfeile in 9 gezeigt, innerhalb der porösen Kathodenkörper 850, die als Oxidationsgaszuführkanäle fungieren. Dann strömt das Oxidationsgas von den Oxidationsgasabführschlitzen 444 (6) in die Oxidationsgasabführkanäle 660 und wird in den Oxidationsgas-Abführverteiler 120 abgeführt. Ein Teil des Oxidationsgases, der in einem jeweiligen kathodenseitigen porösen Körper 850 strömt, wird in der gesamten kathodenseitigen Difffusionsschicht 830B, die sich in Kontakt mit dem kathodenseitigen porösen Körper 850 befindet, fein verteilt und wird zur Beteiligung an der Kathodenreaktion in der Katalysatorschicht 830A freigegeben (z. B. 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O).
Das dem Brenngaszuführverteiler 130 zugeführte Brenngas bewegt sich, wie durch die Pfeile in 10B gezeigt, vom Brenngaszuführverteiler 130 durch die Brenngaseinführkanäle 630 und strömt dann über die Brenngaszuführschlitze 350 (7) in die anodenseitigen porösen Körper 840. Das Brenngas, das in die anodenseitigen porösen Körper 840 geströmt ist, strömt, wie durch die schwarzen Pfeile in 9 gezeigt, innerhalb der anodeseitigen porösen Körper 840, die als die Brenngaszuführkanäle fungieren. Dabei strömt das Brenngas, wie in 11 gezeigt, von den Durchgangslöchern 865 der elektrisch leitfähigen Schichten 860, die mit den anodenseitigen porösen Körpern 840 in Kontakt stehen, in die Blöcke BL der anodenseitigen Diffusionsschichten 820B in einer Richtung senkrecht zu den planaren Richtungen (d. h. der Stapelrichtung) und wird in einem jeweiligen Block BL fein verteilt und zur Beteiligung an der Anodenreaktion in den Katalysatorschichten 820A freigegeben (z. B. H₂ → 2H⁺ + 2e^–).
Die Brennstoffzelle 100 in dieser Ausführungsform weist eine Struktur ohne Rückführeinrichtung an der Anode auf, d. h. keinen Brenngasabführkanal oder keinen Oxidationsgasabführkanal, so dass das einem jeweiligen anodenseitigen porösen Körper 840 zugeführte Brenngas im Wesentlichen vollkommen in der Anode 820 absorbiert und dort verbraucht wird. In diesem Zusammenhang versteht man unter dem Begriff „Verbrauch” die Verwendung des Brenngases an der elektrochemischen Reaktion auf der Anode 820 und auch das Ausströmen des Brenngases auf die Seite der Kathode 830.
In jedem Schichtungselement 800 ist die elektrisch leitfähige Schicht 860, die die Durchgangslöcher 865 aufweist, zwischen der Anode 820 (der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B) und dem anodenseitigen porösen Körper 840 angeordnet. In diesem Fall erfahrt das Brenngas einen hohen Druckverlust, wenn es sich durch die Durchgangslöcher 865 bewegt. Anschließend tritt zwischen der Anode 820 (der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B) und dem anodenseitigen porösen Körper 840 ein hoher Differenzialdruck auf; insbesondere wird dabei der Druck im anodenseitigen porösen Körper 840 erheblich höher als in der Anode 820 (der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B). In Verbindung mit dem hohen Differenzialdruck beschleunigt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases die Diffusionsgeschwindigkeit des ausströmenden Gases übertrifft, das aus dem Stickstoff aus der Luft besteht, die von der Kathodenseite zur Anodenseite ausströmt. Dabei wird verhindert, dass das ausströmende Gas sich von der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in den anodenseitigen porösen Körper 840 (den Brenngaszuführkanal) bewegt, und es wird verhindert, dass das austretende Gas in dem anodenseitigen porösen Körper 840 (dem Brenngaszuführkanal) zurückbleibt.
Die Effizienz der Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform wird einer als Vergleichsbeispiel dienenden Brennstoffzelle gegenübergestellt, die in 12 gezeigt ist. 12 ist ein Diagramm einer als Vergleichsbeispiel dienenden Brennstoffzelle, das darstellt, wie sich das Brenngas in einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B, die keinen Trennwandbereich 825 aufweist, fein verteilt. Die für die Bereiche der Brennstoffzelle in diesem Vergleichsbeispiel verwendeten Bezugszeichen sind im Wesentlichen mit denen identisch, die in der vorstehenden Ausführungsform verwendet wurden.
In 12 wird die rechte Seite auch als die stromaufwärtige Seite bezeichnet, und die linke Seite auch als die stromabwärtige Seite bezeichnet. In der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases im anodenseitigen porösen Körper 840 von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite aufgrund des inneren Strömungswiderstands allmählich ab. Was die Durchgangslöcher 865 angeht, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases, das durch ein Durchgangsloch 865 gelangt, allmählich langsamer, je weiter stromabwärts sich das Durchgangsloch 865 befindet. Dementsprechend wird in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B die Diffusionsströmungsgeschwindigkeit des Brenngases in den planaren Richtungen zur stromabwärtigen Seite hin ebenfalls allmählich langsamer. Folglich besteht die Möglichkeit, dass eine Strömung des Brenngases von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite so ablaufen kann, wie in 12 gezeigt ist.
Wie vorstehend erwähnt, strömt das ausströmende Gas in die anodenseitige Diffusionsschicht 820B aus. Erfolgt die Strömung des Brenngases wie oben erwähnt in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite, kann das ausströmende Gas nicht gegen die Strömung des Brenngases diffundieren und kann sich somit in der stromabwärtigen Seite der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ansammeln. Es besteht somit die Möglichkeit, dass die Zuführung des Brenngases zu Bereichen der Katalysatorschicht 820A, die mit den Bereichen der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B korrespondieren, in der sich das ausströmende Gas angesammelt hat, verhindert werden kann.
Die Brennstoffzelle 100 der Ausführungsform ist hingegen mit den Trennwandbereichen 825 versehen, die die anodenseitige Diffusionsschicht 820B in eine Mehrzahl von Blöcken BL unterteilen. Mit dieser Konstruktion kann verhindert werden, dass das Brenngas in den planaren Richtungen (von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite) der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B strömt, und somit verhindert werden, dass das ausströmende Gas vor Ort bzw. lokal, z. B. in der Unterseite oder ähnlichem, in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B zurückbleibt. Dabei kann das Brenngas der Katalysatorschicht 820A (der Kathode 830) fein verteilt zugeführt wer den. Dementsprechend ist eine Verbesserung der Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 100 möglich.
Die anodenseitige Diffusionsschicht 820B ist, wie oben beschrieben, durch die Trennwandbereiche 825 in eine Mehrzahl von Blöcken BL unterteilt. Daher besteht die Möglichkeit, dass sich die Konzentration des ausströmenden Gases in einem bestimmten Block BL erhöht. In der Brennstoffzelle 100 der Ausführungsform wird das Brenngas jedoch mit einem relative hohen Druck zugeführt. Daher wird in einem Block BL mit einer erhöhten Konzentration an ausgeströmtem Gas verhindert, dass das Brenngas einem Bereich der Katalysatorschicht 820A zugeführt wird, der mit dem Block BL korrespondiert, so dass sich folglich die Brenngaskonzentration in genau diesem Block BL allmählich erhöht. Dementsprechend wird das ausströmende Gas im Block BL auf die Seite der Kathode 830 zurückgedrängt. Somit kann in jedem Block BL die anomale Erhöhung der Konzentration an ausströmendem Gas verhindert werden, so dass die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 100 verbessert werden kann.
In der Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform sind die Trennwandbereiche 825 so angeordnet, dass jeder Block BL mit einem der Durchgangslöcher 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860 korrespondiert. Dadurch wird verhindert, dass das ausströmende Gas in den Blöcken BL in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B lokal bzw. vor Ort zurückbleibt.
Ferner weist in der Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform die verwendete anodenseitige Diffusionsschicht 820B einen niedrigeren internen Strömungswiderstand gegenüber dem Gas auf als der anodenseitige poröse Körper 840. Diese Konstruktion unterstützt das über die Durchgangslöcher 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860 in die anodenseitige Diffusionsschicht 820B eingeführte Brenngas dabei, sich innerhalb der einzelnen Blöcke BL der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B fein zu verteilen.
In der Brennstoffzelle 100 der Ausführungsform kann der Förder- bzw. Zuströmdruck des dem Brenngaszuführkanal zugeführten Brenngase (der nachstehend auch als der Brenngas-Zuströmdruck bezeichnet wird) und der Zuströmdruck des in den Oxida tionsgas-Zuführkanal eingeführten Oxidationsgases (der nachstehend auch als der Oxidationsgas-Zuströmdruck bezeichnet werden kann) so eingestellt werden, dass der minimale Wert des Drucks des in den Brenngas-Zuführkanal strömenden Brenngases den maximalen Wert des Teildrucks des ausströmenden Gases übersteigt, das von der Kathode 830 über die Elektrolytmembran 810 zur Anode 820 ausströmt. Diese Einstellung kann erreicht werden, indem entweder nur der Brenngas-Zuströmdruck oder der Oxidationsgas-Zuströmdruck angepasst wird, oder kann auch erreicht werden, indem sowohl der Brenngas-Zuströmdruck als auch der Oxidationsgas-Zuströmdruck angepasst werden. Im Übrigen werden die Einstellwerte des Brenngas-Zuströmdrucks und/oder des Oxidationsgas-Zuströmdrucks basierend auf empirisch erhaltenen, experimentellen Daten bestimmt.
In der vorstehenden Ausführungsform kann die Anode 820 als eine Anode oder eine anodenbildende Schicht betrachtet werden, und die Kathode 830 kann als Kathode angesehen werden. Die anodenseitige Diffusionsschicht 820B kann als eine Gasdiffusionsschicht betrachtet werden, und die Trennwandbereiche 825 kann als ein Trennwandbereich betrachtet werden. Die elektrisch leitfähige Schicht 860 kann als ein Gaseinführbereich oder ein elektrisch leitfähiger Schichtbereich betrachtet werden, und die Durchgangslöcher 865 können als ein Gasdurchleitbereich oder ein Durchgangsloch betrachtet werden, und der anodenseitige poröse Körper 840 kann als ein kanalbildendes Element betrachtet werden.
B. ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
13 ist eine Vorderansicht einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in einer Brennstoffzelle 100A gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Zeichnung von 13 entspricht in Bezug auf die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform der Zeichnung von 5. Darüber hinaus sind in 13 die Positionen in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B, die mit den Durchgangslöchern 865 einer elektrisch leitfähigen Schicht 860 in dem Fall korrespondieren, in dem die anodenseitige Diffusionsschicht 820B mit der elektrisch leitfähigen Schicht 860 aneinandergestapelt ist, durch gestrichelte Linien angezeigt.
Die Brennstoffzelle 100A dieser Ausführungsform weist grundsätzlich die gleiche Konstruktion auf wie die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform, doch weist sie Trennwandbereiche 825A auf, die sich von den Trennwandbereichen 825 der ersten Ausführungsform unterscheiden. In der Brennstoffzelle 100A sind den Bereichen, die mit jenen der ersten Ausführungsform identisch konstruiert sind, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, und auf eine Beschreibung derselben wird verzichtet.
Bei den Trennwandbereichen 825A, die in der Brennstoffzelle 100A dieser Ausführungsform angeordnet sind, handelt es sich, ähnlich den Trennwandbereichen 825 der ersten Ausführungsform, um Trennwände, die sich parallel zueinander in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) von einer Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 zu einer Seitenoberfläche der Katalysatorschicht 820A erstrecken. Wie in 13 gezeigt ist, unterteilen die Trennwandbereiche 825A in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B eine Seitenoberfläche einer elektrisch leitfähigen Schicht 860 bienenwabenartige in eine Mehrzahl von Blöcken BL. Insbesondere ist in einer Ansicht, die in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) erstellt worden ist, die Mehrzahl von Blöcken bienenwabenförmig ausgebildet. Wie in 13 gezeigt ist, ist darüber hinaus ein jeweiliges Durchgangsloch 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860 so angeordnet, dass es im Wesentlichen einem mittleren Bereich der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in einem korrespondierenden der Blöcke BL zugewandt ist bzw. gegenüberliegt. Jeder Block BL ist im Allgemeinen wie ein regelmäßig geformtes Sechseck ausgebildet, und der Unterschied zwischen dem Abstand eines Scheitel- bzw. Eckbereichs der Trennwandbereiche 825A von dem Bereich, der mit dem Durchgangsloch 865 korrespondiert, und dem Abstand eines planaren Bereichs der Trennwandbereiche 825A von dem Bereich, der mit dem Durchgangsloch 865 korrespondiert, ist nicht sehr groß. Daher kann sich das Brenngas, das den Blöcken BL über die Durchgangslöcher 865 zugeführt wird, ganz leicht in den Ecken eines jeden Blocks BL ausbreiten, d. h. es kann sich ohne Schwierigkeit in einem jedem Block BL fein verteilen. Da darüber hinaus die Blöcke BL bienenwabenförmig ausgebildet sind, ist eine gleich mäßige Verteilung des Oberflächendrucks in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B möglich.
C. DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
14A ist eine Vorderansicht einer elektrisch leitfähigen Schicht 860A in einer Brennstoffzelle 100B gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und 14B ist eine Vorderansicht einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B. Die Zeichnungen von 14A und 14B entsprechen in Bezug auf die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform den Zeichnungen 5A und 5B. Abgesehen davon sind in 14B die Positionen in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B, die mit den Durchgangslöchern 865 einer elektrisch leitfähigen Schicht 860A in dem Fall korrespondieren, wenn die anodenseitige Diffusionsschicht 820B mit der elektrisch leitfähigen Schicht 860 aneinandergestapelt ist, durch gestrichelte Linien dargestellt.
Der Aufbau der Brennstoffzelle 100B dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen mit dem der Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform identisch, doch weist ersterer eine Anordnung von Durchgangslöchern 865 in der elektrisch leitfähigen Schicht 860A auf, die sich von der Anordnung derselben in der elektrisch leitfähigen Schicht 860 der ersten Ausführungsform unterscheidet, und weist Trennwandbereiche 825B auf, die sich von den Trennwandbereichen 825 der ersten Ausführungsform unterscheiden. In der Brennstoffzelle 100B sind Bereichen, die gegenüber jenen der ersten Ausführungsform identisch konstruiert sind, identische Bezugszeichen zugewiesen, und daher wird auf einer Beschreibung derselben verzichtet.
In der elektrisch leitfähigen Schicht 860A, die in der Brennstoffzelle 100B dieser Ausführungsform angeordnet ist, sind, wie in 14A gezeigt, die Durchgangslöcher 865 so angeordnet, dass der Abstand zwischen den Durchgangslöchern 865 von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases geringer wird, d. h., dass die Intervalle zwischen den Durchgangslöchern 865 von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases immer kürzer werden. In anderen Worten sind die Durchgangslö cher 865 so angeordnet, dass sich der Abstand zwischen den Durchgangslöchern 865 von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases verbreitert, d. h., dass sich die Intervalle zwischen den Durchgangslöchern 865 von der stromaufwärtigen Seiten zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases verlängern.
Ähnlich den Trennwandbereichen 825 der ersten Ausführungsform, erstrecken sich die Trennwandbereiche 825B in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) von der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860A zur Seitenoberfläche der Katalysatorschicht 820A der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B parallel zueinander. Wie ferner in 14B gezeigt ist, unterteilen die Trennwandbereiche 825B in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B die Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 in eine Mehrzahl von Blöcken BL, so dass sich die Fläche bzw. der Bereich eines Blocks BL von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases verkleinert. Anders ausgedrückt unterteilen die Trennwandbereiche 825B die Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860A in eine Mehrzahl von Blöcken BL, so dass sich die Fläche bzw. der Bereich eines Blocks BL von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases vergrößert. Das heißt, dass in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B die Blöcke BL so ausgebildet sind, dass das Volumen eines Blocks BL sich von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases verkleinert. Wie in 14B gezeigt ist, sind in diesem Fall die Durchgangslöcher 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860A so angeordnet, dass ein jeweiliges Durchgangsloch 865 einem im Wesentlichen mittleren Bereich der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 in einem zu ihm korrespondierenden Loch des Blocks BL gegenüberliegt bzw. zugewandt ist.
Darüber hinaus erhöht sich in der Anode 820 von der stromabwärtigen zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases der Betrag des erzeugten Stroms, d. h., dass die angeforderte Brenngasmenge von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu nimmt. In der Brennstoffzelle 100B dieser Ausführungsform sind die Blöcke BL so ausgebildet, dass das Volumen eines Blocks BL von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases abnimmt. Mit dieser Konstruktion wird den Blöcken BL, die sich an der stromauf befindlichen Seite der Strömungsrichtung des Oxidationsgases befinden, mehr Brenngas als den auf der stromabwärtigen Seite befindlichen Blöcken BL zugeführt. Daher kann in der MEA 24 den Bereichen, wo der Betrag des erzeugten Stroms hoch ist, große Brenngasmengen zugeführt werden, und somit kann in der Brennstoffzelle 100B die Leistungserzeugungseffizienz verbessert werden.
D. VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
15 ist eine Vorderansicht einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1 in einer Brennstoffzelle 1000 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Zeichnung von 15 entspricht in Bezug auf die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform der Zeichnung von 5B. Darüber hinaus sind in 15 die Positionen in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1, die den Durchgangslöchern 865 einer elektrisch leitfähigen Schicht 860 in dem Fall gegenüberliegen bzw. zugewandet sind, wenn die anodenseitige Diffusionsschicht 820B1 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 860 aneinandergestapelt ist, durch gestrichelte Linien angezeigt.
Die Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform ist grundsätzlich genauso konstruiert wie die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform, doch weist sie anodenseitige Diffusionsschichten 820B1 auf, die sich von den anodenseitigen Diffusionsschichten 820B der ersten Ausführungsform unterscheiden. In der Brennstoffzelle 1000 sind Bereichen, die die gleiche Konstruktion aufweisen wie jene der ersten Ausführungsform, die selben Bezugszeichen zugewiesen, und auf eine Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
Die anodenseitige Diffusionsschicht 820B1, die in der Brennstoffzelle 1000 dieser Ausführungsform angeordnet ist, ist so ausgebildet, dass die Gasdurchlässigkeit von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases größer wird, wie in 15 gezeigt ist. In anderen Worten ist die anodenseitige Diffusionsschicht 820B1 so ausgebildet, dass die Gasdurchlässigkeit von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases abnimmt, wie in 15 gezeigt ist. Genauer gesagt ist die anodenseitige Diffusionsschicht 820B1 so ausgebildet, dass sich die Porosität bzw. der Porenanteil bzw. die Durchlässigkeit von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases vergrößert. Unter Porosität bzw. Porenanteil bzw. Durchlässigkeit ist in diesem Zusammenhang die Porosität des Materials der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1 zu verstehen. In dieser Ausführungsform ändert sich die Gasdurchlässigkeit der anodenseitige Diffusionsschicht 820B1 durch Verändern der Porosität. Dies ist jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen. Die Gasdurchlässigkeit der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1 kann beispielsweise basierend auf dem Öffnungsdurchmesser der Innenporen der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1, dem Material der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1 oder einer Kombination aus beiden verändert werden.
Im Übrigen nimmt in der MEA 24 der Betrag des erzeugten Stroms von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases ab, in anderen Worten nimmt die angeforderte Brenngasmenge in der Anode 820 von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases ab. Dementsprechend besteht in einem Bereich der Anode 820, der mit der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases korrespondiert, die Möglichkeit, dass die Zuführmenge des Brenngases abnimmt, und somit kann der Teildruck des ausströmenden Gases ansteigen, d. h., dass ausströmendes Gas zurückbleiben kann. Dementsprechend wird in einem solchen Bereich die Zuführung des Brenngases immer stärker eingeschränkt, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 1000 abnehmen kann.
Da jedoch in der Brennstoffzelle 1000 dieser Ausführungsform die anodenseitige Diffusionsschicht 820B1 so ausgebildet ist, dass die Gasdurchlässigkeit von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidati onsgases zunimmt, kann die Reduktion der Brenngas-Zuführmenge in einem Bereich der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B1, der mit der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Oxidationsgases korrespondiert, verhindert werden. Dementsprechend kann in diesem Bereich der Rückgang der Leistungserzeugungseffizienz verhindert werden und somit die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 1000 verbessert werden.
F. FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
16 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strömungen des Brenngases auf der Anodenseite in einer Brennstoffzelle 100D einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Diagramm von 16 entspricht in Bezug auf die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform der Zeichnung von 11. Die Brennstoffzelle 100D dieser Ausführungsform ist grundsätzlich identisch zur Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform konstruiert, weist jedoch elektrisch leitfähige Schichten 860B auf, die sich von den elektrisch leitfähigen Schichten 860 der ersten Ausführungsform unterscheiden. In der Brennstoffzelle 1000 sind Bereichen, die die gleiche Konstruktion aufweisen wie jene der ersten Ausführungsform, die selben Bezugszeichen zugewiesen, und auf eine Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
In jeder elektrisch leitfähigen Schicht 860B, die in der Brennstoffzelle 100D dieser Ausführungsform angeordnet ist, sind Durchgangslöcher 865A so ausgebildet, dass sie in Bezug auf die Dickenrichtung (Stapelrichtung) der elektrisch leitfähigen Schicht 860B geneigt angeordnet sind, wie in 16 gezeigt ist. In der elektrisch leitfähigen Schicht 860B sind die Durchgangslöcher 865A im Wesentlichen genauso angeordnet wie die Durchgangslöcher 865 der elektrisch leitfähigen Schicht 860 der ersten Ausführungsform. Bei dieser Konstruktion wird das Brenngas von dem anodenseitigen porösen Körper 840 über die Durchgangslöcher 865A in einer Richtung in die Blöcke BL der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B eingeführt, die in Bezug auf die Dickenrichtung (Stapelrichtung) der elektrisch leitfähigen Schicht 860B schräg bzw. geneigt verläuft. Nachdem das Brenngas in die Blöcke BL eingeführt worden ist, trifft bzw. prallt es auf die Trennwandbereiche 825 und kann somit problemlos in den Blöcken BL fein verteilt werden bzw. diffundieren. Somit verringert sich die Wahrschein lichkeit, dass ausströmende Gas in den Blöcken BL zurückbleibt, und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 100D kann verbessert werden.
F. SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
17 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das Strömungen des Brenngases auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle 100E einer sechsten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Zeichnung von 17 entspricht in Bezug auf die Brennstoffzelle 100D der fünften Ausführungsform der Zeichnung von 16. Die Konstruktion der Brennstoffzelle 100E dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen mit der Konstruktion der Brennstoffzelle 100D der fünften Ausführungsform identisch, weist jedoch Trennwandbereiche 825C auf, die sich von den Trennwandbereichen 825 der fünften Ausführungsform unterscheiden. Im Übrigen sind in der elektrisch leitfähigen Schicht 860B die Anordnung der Durchgangslöcher 865A und der Neigungswinkel der Durchgangslöcher 865A im Wesentlichen identisch mit jenen der elektrisch leitfähigen Schicht 860B der fünften Ausführungsform. In der Brennstoffzelle 100E sind Bereichen, die die gleiche Konstruktion aufweisen wie jene der fünften Ausführungsform, die selben Bezugszeichen zugewiesen, und auf eine Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
Die Trennwandbereiche 825C, die in der Brennstoffzelle 100E dieser Ausführungsform angeordnet sind, erstrecken sich, ähnlich den Trennwandbereichen 825 der fünften Ausführungsform von der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860B zur Seitenoberfläche der Katalysatorschicht 820A in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) derselben, und unterteilen die anodenseitige Diffusionsschicht 820B in eine Mehrzahl von Blöcken BL, wie in 17 gezeigt ist. Im Speziellen sind die Trennwandbereiche 825C so ausgebildet, dass jeder Block BL eine Kuppelform (eine Halbkugelform) aufweist, wobei dessen oberer Bereich sich auf der elektrisch leitfähigen Schicht 860B (der von der Anode 820 entfernten Seite) befindet. Darüber hinaus ist, wie in 17 gezeigt ist, jedes der Durchgangslöcher 865A der elektrisch leitfähigen Schicht 860 so angeordnet, dass es im Wesentlichen einem mittleren Bereich der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860B von einem korrespondierenden der Blöcke BL gegenüberliegt, und somit wird das Brenngas in die oberen Bereiche der Blöcke BL von dem anodenseitigen porösen Körper 840 über die Durchgangslöcher 865A eingeführt. Mit dieser Anordnung kann sich das in die Blöcke BL eingeführte Brenngas problemlos in jedem Block BL fein verteilen, wobei es entlang der Wandoberfläche des Trennwandbereichs 825C strömt. Somit verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass das ausströmende Gas in den Blöcken BL zurückbleibt, und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 100E kann verbessert werden.
G. SIEBTE AUSFÜHRUNGSFORM
18 ist ein veranschaulichendes Diagramm, dass die Strömungen des Brenngases auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle 100F einer siebten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Zeichnung von 18 entspricht in Bezug auf die Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform der Zeichnung von 11. Die Brennstoffzelle 100F dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch zur Brennstoffzelle 100 der ersten Ausführungsform konstruiert, weist jedoch Trennwandbereiche 825D auf, die sich von den Trennwandbereichen 825 der ersten Ausführungsform unterscheiden. In der Brennstoffzelle 100F sind Bereichen, die die gleiche Konstruktion aufweisen wie jene der ersten Ausführungsform, die selben Bezugszeichen zugewiesen, und auf eine Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
Die Trennwandbereiche 825D, die in der Brennstoffzelle 100E dieser Ausführungsform angeordnet sind, erstrecken sich, wie in 18 gezeigt ist, in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B von der Seitenoberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht 860 in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) parallel zueinander, und unterteilen die anodenseitige Diffusionsschicht 820B in eine Mehrzahl von Blöcken BL, wie in 18 gezeigt ist. In diesem Fall kontaktieren die Trennwandbereiche 825 in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B nicht die Katalysatorschicht 820A, sondern verbleiben innerhalb der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B. Dadurch kann verhindert werden, dass die Trennwandbereiche 825D die Katalysatorschichten 820A beschädigen.
H. MODIFIZIERUNGEN
Die Erfindung ist nicht auf vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auch in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
H1. MODIFIZIERUNG 1:
19 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Trennwandbereiche 825E einer Brennstoffzelle in einer Modifizierung 1. Obwohl in der Brennstoffzelle 100 der vorstehenden Ausführungsform die Trennwandbereiche 825 so ausgebildet sind, dass sie sich in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B in einer Richtung parallel zur Stapelrichtung erstrecken, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die Trennwandbereiche 825E in der Brennstoffzelle in der Modifizierung 1 kann so ausgebildet sein, dass in einer anodenseitigen Diffusionsschicht 820B die Trennwandbereiche 825E auf der Seite der Katalysatorschicht 820E (der Seite der Elektrolytmembran 810) dünner sind als auf der Seite der elektrisch leitfähigen Schicht 860, wie in 19 gezeigt ist. Dadurch wird eine Seitenfläche einer Katalysatorschicht 820 in jedem Block erweitert, so dass das sich in einem jeweiligen Block BL fein verteilende Brenngas in erhöhter Menge der Katalysatorschicht 820A zugeführt werden kann. Folglich wird dadurch die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle verbessert.
H2. MODIFIZIERUNG 2:
Obwohl in den einzelnen Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen die Blöcke BL, die durch den Trennwandbereich unterteilt sind, so angeordnet sind, dass sie einem korrespondierenden der Durchgangslöcher der elektrisch leitfähigen Schicht gegenüberliegen, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die Blöcke BL, die durch den Trennwandbereich unterteilt sind, können z. B. so angeordnet sein, dass sie mit einer Mehrzahl der Durchgangslöcher 865 der elektrisch leitfähigen Schicht korrespondieren. Dadurch werden im Wesentlichen auch die gleichen Effekte wie in der Brennstoffzelle der vorstehenden Ausführungsform erreicht.
H3. MODIFIZIERUNG 3:
Obwohl in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen die Öffnungsdurchmesser der Durchgangslöcher der elektrisch leitfähigen Schicht identisch sind, ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Die Durchgangslöcher der elektrisch leitfähigen Schicht können so ausgebildet sein, dass die Öffnungsdurchmesser derselben umso größer sind, je größer der relative Abstand derselben vom Oxidationsgas-Zuführschlitz 440 ist (d. h. von den Oxidationsgaszuführöffnungen zum Zuführen des Oxidationsgases zur Kathode 830), in anderen Worten, je kürzer der relative Abstand vom Oxidationsgaszuführschlitz 444 ist (d. h. von den Oxidationsgasabführöffnungen zum Abführen des Oxidationsgases aus der Kathode 830).
H4. MODIFIZIERUNG 4:
Obwohl es sich in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen bei der verwendeten elektrisch leitfähigen Schicht um eine Goldschicht handelt, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die elektrisch leitfähige Schicht kann beispielsweise auch aus einem anderen elektrisch leitfähigen Element als Gold gebildet sein, z. B. aus Titan, rostfreiem Stahl etc. In diesem Fall wird die elektrisch leitfähige Schicht durch Thermokompressionsbonden, Löten, Schweißen oder dergleichen mit einer Seitenoberfläche des anodenseitigen porösen Körpers 840 verbunden.
Die elektrisch leitfähige Schicht kann ferner aus einer elektrisch leitfähigen Polymerpaste gebildet sein. Beispiele für diese elektrisch leitfähige Polymerpaste sind eine Silberpaste, Kohlenstoffpaste, Silber-Kohlenstoffpaste etc. Nachdem die elektrisch leitfähige Polymerpaste schichtförmig ausgebildet worden ist, kann diese Schicht dann mit einer Seitenoberfläche des anodenseitigen porösen Körpers 840 verbunden werden.
H5. MODIFIZIERUNG 5:
Obwohl die Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen eine geschlossene Struktur („Anode Dead-End Structure”) aufweisen, in der das der Anodenseite zugeführte Brenngas nicht nach außen abgeführt wird, ist die Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann auch einen Mechanismus zum Abführen des Brenngases von der Seite der Anode 820 aufweisen, beispielsweise eine Brenngas-Abführöffnung, einen Brenngas-Abführkanal, einen Brenngas-Verteiler etc. Eine solche Brennstoffzelle kann zudem auch ein Sperrventil aufweisen, das das aus dem Brenngas-Abführverteiler zur Außenseite der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas absperren kann (und das nachstehend als Sperrventil N bezeichnet wird), und einen Betriebsmodus beinhalten, in dem, während sich das Sperrventil N im geschlossenen Zustand befindet, bewirkt wird, dass im Wesentlichen die gesamte Menge des dem anodenseitigen porösen Körper 840 (der Anodenseite) zugeführten Brenngases in der Anode 820 absorbiert und verbraucht wird. Mit dieser Konstruktion können auch im Wesentlichen die gleichen Effekte erreicht werden wie bei der Brennstoffzelle 100 der vorstehenden Ausführungsformen.
H6. MODIFIZIERUNG 6:
Obwohl in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen die Trennwandbereiche so ausgebildet sind, dass die anodenseitige Diffusionsschicht 820B mit einem Harz imprägniert ist, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die Trennwandbereiche können beispielsweise auch so ausgebildet sein, dass ein gestanztes Metall, ein geschichtetes maschenartiges Element etc. in die anodenseitige Diffusionsschicht 820B eingebaut wird. Mit dieser Konstruktion können auch im Wesentlichen die gleichen Effekte erreicht werden wie bei den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen.
H7. MODIFIZIERUNG 7:
Obwohl in den Anoden 820 der Brennstoffzellen der Ausführungsformen die Trennwandbereiche nur in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ausgebildet sind, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die Trennwandbereiche kön nen beispielsweise nicht nur in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ausgebildet sein, sondern genauso gut in der Katalysatorschicht 820A. Mit dieser Konstruktion kann in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B und der Katalysatorschicht 820A verhindert werden, dass das Brenngas in den planaren Richtungen strömt, und es kann daher verhindert werden, dass das ausströmende Gas in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B und der Katalysatorschicht 820A (also der gesamten Anode 820) lokal zurückbleibt. Folglich kann der Anode 820 das Brenngas fein verteilt zugeführt werden.
H8. MODIFIZIERUNG 8:
Obwohl in jeder Anode 820 der Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen die Katalysatorschicht 820A und die anodenseitige Diffusionsschicht 820B angeordnet sind und die Trennwandbereiche in der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B ausgebildet sind, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Die Anode 820 kann z. B. auch nur aus der Katalysatorschicht 820A ohne die anodenseitige Diffusionsschicht 820B konstruiert sein, und die Trennwandbereiche können nur in der Katalysatorschicht 820A ausgebildet sein. Mit dieser Konstruktion kann in der Katalysatorschicht 820A verhindert werden, dass das Brenngas in die planaren Richtungen strömt, und somit verhindert werden, dass das ausströmende Gas vor Ort in der Katalysatorschicht 820A zurückbleibt.
In den Anoden 820 kann ferner der elektrisch leitfähige poröse Körper zwischen der Katalysatorschicht 820A und der anodenseitigen Diffusionsschicht 820B angeordnet sein. Bei dem elektrisch leitfähigen porösen Körper kann es sich um einen Körper handeln, in dem der Strömungswiderstand in den planaren Richtungen niedrig ist, d. h. dass das Gas ohne Weiteres in den planaren Richtungen strömen kann. Mit dieser Konstruktion ist in den Anoden 820 eine Verbesserung der Verteilbarkeit bzw. Dispergierbarkeit des Brenngases möglich.
H9. MODIFIZIERUNG 9:
Obwohl in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen als Oxidationsgas Luft verwendet, ist die Erfindung nicht auf eine solche Konstruktion beschränkt. Es genügt beispielsweise, dass das Oxidationsgas Sauerstoff enthält, und es kann auch ein vorbestimmtes Gasgemisch verwendet werden, dem ein anderes Gas als Sauerstoff beigemengt worden ist.
H10. MODIFIZIERUNG 10:
Obwohl in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen die anodenseitige Diffusionsschicht 820B aus einem porösen Material gebildet ist, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Es genügt beispielsweise, dass die anodenseitige Diffusionsschicht 820B eine Gasdiffusionsvermögen aufweist; wobei dies beispielsweise durch einen Raum ermöglicht werden kann. Die Effekte der vorstehenden Ausführungsformen können somit ebenso erreicht werden.
H11. MODIFIZIERUNG 11:
Bei den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen handelt es sich um „Anode Dead-End Operation Type”-Brennstoffzellen, bei denen das Brenngas nicht durch eine Umwälzpumpe oder dergleichen umgewälzt werden muss. Dadurch wird eine Einsparung des Raumvolumens oder eine Reduktion der Pumpleistung zur Umwälzung möglich, so dass dadurch eine Verbesserung der Energieeffizienz erreicht werden kann. Daher sind die Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen dazu geeignet, in mobilen Einheiten wie Kraftfahrzeugen, elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen, Booten und Schiffen, Autos mit Linearmotorantrieb etc. zur Anwendung zu gelangen.
H12: MODIFIZIERUNG 12:
Obwohl es sich bei den die Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen „Anode Dead-End Operation Type”-Brennstoffzellen handelt, ist die Erfindung nicht auf diese Art von Brennstoffzelle beschränkt, sondern kann auch auf Umwälz-Brennstoffzellen angewendet werden, in denen das Brenngas umgewälzt wird.
H13. MODIFIZIERUNG 13:
Obwohl in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen die anodenseitige Diffusionsschicht 820B eine höhere Gasdurchlässigkeit aufweist als der anodenseitige poröse Körper 840, ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion beschränkt, d. h. es ist auch möglich, dass der anodenseitige poröse Körper 840 eine höhere Gasdurchlässigkeit aufweist als die anodenseitige Diffusionsschicht 820B. Mit dieser Konstruktion ist eine problemlosere Verteilung des Brenngases in dem anodenseitigen porösen Körper 840 möglich, so dass das Brenngas den individuellen Blöcken BL fein verteilt zugeführt werden kann.
H14. MODIFIZIERUNG 14:
Obwohl die Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen Festpolymer-Brennstoffzellen sind, ist die Erfindung nicht auf diese Art von Brennstoffzelle beschränkt, sondern kann auf verschiedene Brennstoffzellen angewendet werden, wie z. B. Wasserstoffabscheidungsmembran-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen etc.
H15. MODIFIZIERUNG 15:
Die Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen sind in einer Struktur ausgeführt, in der das der Anode 820 zugeführte Brenngas im Wesentlichen vollkommen auf der Anode verbraucht wird. Was die Kanalkonstruktion zum Zuführen des Brenngases zur Anode 820 angeht, die den Betrieb in einer solchen Struktur erst ermöglicht, ist die Ausführung von verschiedenen Kanalkonstruktionen möglich. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Modifizierungen der Konstruktion zum Zuführen des Brenngases zur Anode 820 entsprechend einem Duschprinzip wie in den Brenn stoffzelle der vorstehenden Ausführungsformen (die auch als Duschkanal-Konstruktionen bezeichnet wird).
ERSTE MODIFIZIERUNG EINES DUSCHKANALS:
20 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion einer ersten Modifizierung des Duschkanals darstellt. Die erste Modifizierung weist eine Konstruktion auf, in der eine Verteilungs- bzw. Dispersionsplatte 2100, die der elektrisch leitfähigen Schicht 860 in den vorstehenden Ausführungsformen entspricht, als in die MEA 2000 integriert ausgebildet ist. Die MEA 2000 weist eine Anode 2200 und eine Elektrolytmembran 2300 auf. Die Verteilungs- bzw. Dispersionsplatte 2100 ist an vorbestimmten Intervallen mit vielen Durchgangslöchern (Öffnungen) 2110 versehen.
21 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Funktionen der Dispersionsplatte 2100 darstellt. Das Brenngas wird durch einen auf der stromaufwärtigen Seite befindlichen Kanal verteilt, der durch die Dispersionsplatte 2100 von der das Wasserstoffgas verbrauchenden Anode 2200 isoliert ist. Das Brenngas, das in dem auf der stromaufwärtigen Seite befindlichen Kanal verteilt wird, wird der Anode 2200, bei der es sich um eine Brenngasverbrauchsschicht handelt, lokal bzw. vor Ort durch Durchgangslöcher 21100 zugeführt, die in der Dispersionsplatte 2100 angeordnet sind. Das heißt, dass in der Brennstoffzelle dieser Modifizierung das Brenngas den Bereichen der Anode 2200 direkt zugeführt wird, die mit den Positionen korrespondieren, an denen die Durchgangslöcher 2110 angeordnet sind. Beispiele für die Konstruktion, in der dieser Art der lokalen Zuführung des Brenngases realisiert ist, beinhalten eine Konstruktion, die einen Weg bzw. Pfad aufweist, durch den das Brenngas den Brenngas-Verbrauchsstellen direkt zugeführt wird, ohne durch andere Bereiche der Anode 2200 gelangt zu sein, oder eine Konstruktion, in der das Brenngas aus einer Richtung, die von der Ebene der Anode 2200 gesondert angeordnet ist (kann über einen von der Anode 2200 isolierten Kanal erfolgen), vornehmlich in einer senkrechten Richtung etc. der Anode 2200 zugeführt wird. Andererseits genügt es, wenn die Anode 2200 eine Form aufweist, in der der Stickstoff nicht so ohne Weiteres zurückbleiben kann. Es ist beispielsweise ausreichend, wenn die Anode 2200 aus glatten Flächen bzw. Ebenen (ebe nen Flächen) konstruiert ist, und eine Form aufweist, in der kein Aussparungsbereich oder dergleichen auf der Seite der Elektrolytmembran 2300 vorhanden ist.
Der Durchmesser und die Beabstandung bzw. der Abstand der Durchgangslöcher 2110 der Dispersionsplatte 2100 kann empirisch bestimmt werden, und kann auch so angesetzt sein, dass durch die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases, das durch die Durchgangslöcher 2110 gelangt, die durch die Diffusion bewirkte Rückwärtsströmung des Stickstoffgases in einem vorbestimmten bzw. vorher ausgewählten Betriebszustand (z. B. einem Nennbetriebszustand) zufriedenstellend verhindert werden kann. Es ist ausreichend, wenn die Intervalle und die Kanalquerschnittsfläche der Durchgangslöcher 2110 so angesetzt sind, dass eine Strömungsgeschwindigkeit oder ein Druckverlust in den Durchgangslöchern 2110 erzeugt wird, der ausreicht, um diese Bedingung zu erfüllen. In Bezug auf die Festpolymer-Brennstoffzelle hat es sich beispielsweise bestätigt, dass eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit oder ein ausreichender Druckverlust entsteht, wenn die numerische Apertur der Dispersionsplatte 2100 auf etwa 1% oder weniger eingestellt ist. Diese numerische Apertur ist um ein oder zwei Grad kleiner als im Umwälz-Brenngaskanal, und die Konstruktion unterscheidet sich wesentlich von einer Konstruktion, bei der ein bestimmter Strömungsbetrag des Brenngases durch Verwendung eines Kompressors in einem Umwälz-Brenngaskanal sichergestellt wird. In dieser Modifizierung wird trotz der eine niedrige numerische Apertur aufweisenden Struktur eine ausreichende Brenngasmenge sichergestellt, indem der unter hohem Druck stehende Wasserstoff aus dem Brennstofftank direkt (oder nachdem er durch ein Druckregelventil auf einen vorbestimmten hohen Druckwert eingestellt worden ist) zur Brennstoffzelle geführt wird.
ZWEITE MODIFIZIERUNG DES DUSCHKANALS:
22 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion einer zweiten Modifizierung des Duschkanals darstellt. In dieser Modifizierung wird eine Dispersionsplatte 2101, die auf einer eine Anode 2200 und eine Elektrolytmembran 2300 aufweisenden MEA 2201 angeordnet ist, durch Verwendung eines dichten porösen Körpers realisiert. Die numerische Apertur des porösen Körpers der Dispersionsplatte 2102 ist so gewählt, dass eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit oder ein ausreichender Druckverlust erzeugt wird. In dem Fall, wo die Durchgangslöcher (Öffnungen) verwendet werden, die in Verbindung mit der ersten Modifizierung gezeigt sind, wird das Brenngas einem jeden Durchgangsloch lokal, d. h. einzeln, zugeführt. In dem Fall hingegen, wo ein poröser Körper verwendet wird, besteht dahingehend ein Vorteil, dass das Brenngas kontinuierlich zugeführt werden kann. Abgesehen davon kann auch dahingehend ein Vorteil erreicht werden, dass die Zufuhr des Brenngases zur Anode 2200 gleichmäßiger gestaltet werden kann. Der dichte poröse Körper kann durch Sintern eines Kohlenstoffpulvers hergestellt oder durch Fixieren eines Kohlenstoff- oder Metallpulvers mit einem Bindemittel hergestellt werden. Es genügt, wenn der poröse Körper ein durchgehend poröser Körper ist. Der poröse Körper kann eine Anisotropie bzw. Richtungsabhängigkeit aufweisen, durch die eine Kontinuität in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) sichergestellt ist, während eine Kontinuität in den planaren Richtungen nicht sichergestellt ist. Es reicht aus, wenn die numerische Apertur des porösen Körpers im Wesentlichen genauso bemessen ist wie in der ersten Modifizierung des Duschkanals.
DRITTE MODIFIZIERUNG DES DUSCHKANALS:
23 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Dispersionsplatte 2102 darstellt, die durch Verwendung eines Pressmetalls konstruiert ist, als eine dritte Modifizierung des Duschkanals. 24 ist ein schematisches Diagramm, das einen entlang der Linie XXIV-XXIV in 23 dargestellten Querschnitt darstellt. Die Dispersionsplatte 2102 ist mit Vorsprüngen 2102t zum Ausbilden eines Kanals auf der stromaufwärtigen Seite der Dispersionsplatte 2102 versehen, und Poren 2112 sind auf den Seitenoberflächen der Vorsprünge 2102t ausgebildet. In dem Fall, in dem eine MEA 2202 eine Anode 2200 und eine Kathode 2400 auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran 2300 aufweist, ist die Dispersionsplatte 2102 auf der Seite der Anode 2200 angeordnet, und der Kanal auf der stromaufwärtigen Seite der Dispersionsplatte 2102 ist unter Verwendung der Vorsprünge 2102t einstückig ausgebildet. Das Brenngas wird der Anode 2200 über die Poren 2112 zugeführt, die in den Seitenoberflächen der Vorsprünge 2102t ausgebildet sind.
Dieser Konstruktion entsprechend kann die Dispersionsplatte 2102 ohne Weiteres mittels eines Pressvorgangs gebildet werden, und ein Vorteil wird dahingehend erhalten, dass der Kanals stromauf der Dispersionsplatte 2102 ohne großen Aufwand ausgebildet werden kann. Da das Brenngas, das durch die Poren 2112 gelangt ist, die Anode 2200 über die Innenräume der Vorsprünge 2102t erreicht, kann ein zufriedenstellendes Dispersionsvermögen sichergestellt werden. Die Poren 2112 können durch einen Pressvorgang aber auch durch eine andere Technik, wie z. B. Funkenerosion oder ähnliches, in einem dem Ausbilden der Vorsprünge 202t vorangehenden oder auf diesen folgenden Verarbeitungsschritt ausgebildet werden. Es genügt, wenn die numerische Apertur basierend auf den Poren 2112 im Wesentlichen genauso bemessen wird wie in der ersten Modifizierung des Duschkanals.
VIERTE MODIFIZIERUNG DES DUSCHKANALS:
25 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion darstellt, in der Kanäle innerhalb einer Dispersionsplatte 2014hm als eine vierte Modifizierung des Duschkanals ausgebildet sind. Die Dispersionsplatte 2014hm in dieser Modifizierung ist mit einer Mehrzahl von Kanälen 2142n, die in einer die kurze Seite entlang verlaufenden Richtung der rechtwinkeligen Dispersionsplatte 2014hm ausgebildet sind, und viele Poren 2143n versehen, die sich von den Kanälen 2142n in der Dickenrichtung (Stapelrichtung) der Dispersionsplatte 2014hm erstrecken und die zur Seite einer Anode (nicht gezeigt) geöffnet sind. Die Dispersionsplatte 2014hm ist auf einer wasserstoffseitigen Elektrodenseite einer MEA 2203 angeordnet, die eine wasserstoffseitige Elektrode (nicht gezeigt) und eine Kathode 2400 auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran 2300 aufweist, und die wasserstoffseitige Elektrode wird mit dem Brenngas über die Dispersionsplatte 2014hm versorgt. Gemäß dieser Konstruktion können die zu den Poren 2143n führenden Kanäle für die einzelnen Poren 2143n gesondert vorgesehen sein. Obwohl die Poren 2143n in 25 in einem Zick-Zack-Muster angeordnet sind, können sie auch in einem Gittermuster oder zu einem gewissen Grad zufällig angeordnet sein.
FÜNFTE MODIFIZIERUNG DES DUSCHKANALS:
26 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das eine Konstruktion darstellt, in der eine Dispersionsplatte 2014hp unter Verwendung von Leitungen als eine fünfte Modifizierung des Duschkanals ausgebildet ist. Die Dispersionsplatte 2014hp ist mit einem rechtwinkeligen Rahmen 2140 versehen, wie in 26 gezeigt ist, und außerdem mit vielen Hohlleitungen 2130, die sich in der zur kurzen Seite verlaufenden Richtung des rechtwinkeligen Rahmens 2140 erstrecken. Eine Mehrzahl von Poren 2141n sind in den Oberflächen der Leitungen 2130 ausgebildet. Diese Dispersionsplatte 2014hp ist auf einer Anode 2200 einer MEA 2204 angeordnet, die die Anode 2200 und eine Elektrolytmembran 2300 beinhaltet. Wenn das Brenngas durch Gaseinströmöffnungen zugeführt wird, die im Rahmen 2140 der Dispersionsplatte 2014hp ausgebildet sind, gelangt das Brenngas durch das Innere einer jeweiligen Leitung 2130 der Dispersionsplatte 2014hp und wird zur Anode 2200 durch die Poren 2141n verteilt. Dieser Konstruktion gemäß kann neben der Möglichkeit, das Brenngas gleichmäßig verteilen zu können, dahingehend ein Vorteil erreicht werden, dass keine Notwendigkeit besteht, einen Lochbildungsprozess an anderen Elementen oder dergleichen als den Poren 2141n auszuführen, wenn die Dispersionsplatte 2014hp konstruiert wird. Die Poren 2141n können zur Seite der Anode 2200 hin angeordnet werden, oder sie können auch zu der ihr gegenüberliegenden Seite hin angeordnet sein. In letzterem Fall kann das Dispersionsvermögen des Brenngases noch weiter verbessert werden.
Wie vorstehend beschrieben, können verschiedene Konstruktionen verwendet werden, solange eine Struktur, in der das Brenngas geführt wird, vorgesehen ist, während es an Anode 2200 fein verteilt wird. Die Dispersionsplatte ist nicht auf einen porösen Körper oder ein Pressmetall beschränkt, solange die Dispersionsplatte so konstruiert ist, dass sie das Brenngas zur Anode 2200 leitet, während das Brenngas gleichzeitig fein verteilt wird.
H16. MODIFIZIERUNG 16
Obwohl in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen der Brenngaszuführkanal ein Kanal aus einem porösen Körper ist, der unter Verwendung eines porösen Körpers ausgebildet wird, kann der Brenngaszuführkanal verschiedene Konfigurationen aufweisen. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Modifizierungen des Brenngaszuführkanals.
27 ist ein schematisches Diagramm, das ein Konstruktionsbeispiel darstellt, das einen sogenannten Abzweigkanal-Brenngaszuführkanal verwendet. Der gezeigte Brenngaszuführkanal ist in einem kanalbildenden Element 5000 kammförmig ausgebildet, das in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen anstelle des anodenseitigen porösen Körpers 840 verwendet wird. Das heißt konkret, dass der Brenngaszuführkanal durch einen Hauptkanal 5010, der das Brenngase einführt, eine Mehrzahl von Nebenkanälen 5020, die in einer Richtung ausgebildet sind, die den Hauptkanal 5010 schneidet, und Kammzinken-Kanälen 5030 ausgebildet ist, die von den Nebenkanälen abzweigen. Der Hauptkanal 5010 und die Nebenkanäle 5020 weisen gegenüber den am distalen Ende befindlichen Kammzinken-Kanälen 5030 eine ausreichend Kanalquerschnittsfläche auf. Die Druckverteilung auf der Oberfläche des kanalbildenden Elements 5000 ist im Wesentlichen kleiner oder gleich der im anodenseitigen porösen Körper 840.
Dieses kanalbildende Element 5000 kann unter Verwendung eines Kohlenstoffs, eines Metalls etc. ausgebildet werden. In dem Fall, wo ein Kohlenstoff verwendet wird, kann das kanalbildende Element 5000, das mit Kanälen versehen ist, wie in 27 gezeigt ist, dadurch erhalten werden, dass das Kohlenstoffpulver bei hohen Temperaturen oder niedrigen Temperaturen in einer Form gesintert wird. Wird ein Metall verwendet, kann das kanalbildende Element 5000, das mit Kanälen versehen ist, wie in der Zeichnung gezeigt ist, dadurch erhalten werden, dass in eine Metallplatte Nuten geschnitten werden, oder kann auch durch einen Pressvorgang erhalten werden. Darüber hinaus muss das kanalbildende Element 5000 nicht als separates Stück vorgesehen werden, sondern kann auch einstückig mit einem anderen Element, beispielsweise einem Separator oder dergleichen, ausgebildet sein.
Im Übrigen kann das kanalbildende Element 5000 anstelle des gesamten anodenseitigen Körpers 840 verwendet werden, oder es kann auch den anodenseitigen porösen Körper 840 und die elektrisch leitfähigen Schicht 860 zusammen ersetzen. In diesem Fall genügt es, wenn die Kammzinken-Kanäle 5030 ausreichend schmal sind und eine große Anzahl derselben von den Nebenkanälen 5020 detailliert, d. h. wie Kapillargefäße, abzweigt. In 27 ist darüber hinaus der Hauptkanal entlang einem Seitenkantenbereich des kanalbildenden Elements 5000 angeordnet. Um den Differenzialdruck des Brenngases in der Ebene des kanalbildenden Elements 5000 zu verringern, kann der Hauptkanal 5010 entlang einer Mehrzahl von Kantenbereichen angeordnet sein, und die Länge der Nebenkanäle 5020 kann verkürzt werden, oder der Hauptkanal 5010 kann in der Mitte des kanalbildenden Elements angeordnet sein, und die Nebenkanäle 5020 können links und rechts (auf zwei gegenüberliegenden Seiten) des Hauptkanals 5010 angeordnet sein. Desgleichen können die kammartigen Kanäle 5030 ebenfalls auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Nebenkanäle 5020 angeordnet sein.
Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 28A und 28B eine Beschreibung einer Serpentinenkanalkonstruktion. 28A und 28B sind schematische Diagramme, die Konstruktionsbeispiele für ein kanalbildendes Element darstellen, das mit einem Serpentinenkanal versehen ist, der eine Zickzack-Kanalform aufweist. 28A zeigt ein Beispiel für ein kanalbildendes Element 5100, das einen einzigen Kanal für das Brenngas aufweist, und 28B zeigt ein Beispiel für ein kanalbildendes Element 5200, in dem eine Mehrzahl von Brenngaskanälen integriert sind.
Wie in 28A gezeigt, weist das kanalbildende Element 5100 eine Mehrzahl von Kanalwänden 5120 auf, die von zwei einander gegenüberliegenden Außenwänden 5110, 5115 der den Brenngaskanal umgebenden Außenwände abwechselnd einwärts verlaufen. Bereiche, die durch die Kanalwände 5120 getrennt werden, bilden einen durchgehenden Kanal. An einem Ende des Kanals ist eine Einströmöffnung 5150 ausgebildet, und das Brenngas wird über die Einströmöffnung 5150 in den Kanal zugeführt. Dieses kanalbildende Element 5100 wird, ähnlich dem kanalbildenden Element 5000, das in 27 gezeigt ist, anstelle des anodenseitigen porösen Körpers 840 der vorstehenden Ausführungsformen verwendet.
28B zeigt ein Beispiel, in dem der Serpentinenkanal als Kanalbündel ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Trennwände 5230, 5240, die nicht mit den Außenwänden verbunden sind, zwischen einer Mehrzahl von Kanalwänden 5220 angeordnet, die sich von den beiden einander gegenüberliegenden Wänden 5210, 5215 abwechselnd nach innen erstrecken. Daneben ist eine Einströmöffnung 5250 an einer Einlassöffnung des Kanals ausgebildet. Das Brenngas, das über die Einströmungsöffnung 5250 geströmt ist, strömt durch den breiten Serpentinenkanal, der mit den Trennwänden 5230, 5240 versehen ist, wobei es sich auf jeden Bereich des kanalbildenden Elements 5200 in den planaren Richtungen ausbreitet. Dieses kanalbildende Element 5200 wird, ähnlich dem kanalbildenden Element 5000, das in 27 gezeigt ist, anstelle des vorstehenden porösen Körpers 840 verwendet.
Ähnlich dem kanalbildenden Element 5000, das einen kammförmigen Kanal aufweist, der in 27 gezeigt ist, sind das kanalbildende Element 5100, das in 28A gezeigt ist, und das kanalbildende Element 5200, das in 28B gezeigt ist, aus einem Kohlenstoff oder einem Metall gebildet. Das Herstellungsverfahren für die kanalbildenden Elemente 5100, 5200 ist im Wesentlichen auch mit dem für das kanalbildende Element 5000 identisch. Die kanalbildenden Elemente 5100, 5200 müssen nicht in gesonderten Teilen angeordnet werden, sondern können auch einstückig mit einem anderen Element, beispielsweise einem Separator oder dergleichen, ausgebildet sein.
H17. MODIFIZIERUNG 17:
29 ist ein veranschaulichendes Diagramm, dass eine Innenkonstruktion einer Umwälzungsweg-Brennstoffzelle 6000 als eine Modifizierung des Brenngaszuführkanals darstellt. Wie in 29 gezeigt, ist in der Brennstoffzelle 6000 dieser Modifizierung ein anodenseitiger Separator 6200 mit einem Aussparungsbereich 6220 versehen, der einen Brenngaszuführkanal, eine Brenngas-Einlassöffnung 6210 und eine Beschränkungsplatte 6230 ausbildet. Der Aussparungsbereich 6220, der einen Brenngaszuführkanal ausbildet, ist vollständig in einem Bereich ausgebildet, der einer Anode 6100 des anodenseitigen Separators 6200 gegenüberliegt. An der Brenngas-Ein lassöffnung 6210 des anodenseitigen Separators 6200 ist eine Düse 6300 ist angebracht, so dass die Düse 6300 das Brenngas hin zum Aussparungsbereich 6220 ausstoßen kann. Während das Brenngas aus der Düse 6300 ausgestoßen wird, wird es von der Brenngas-Einlassöffnung 6210 dem Aussparungsbereich 6220 zugeführt. Die Beschränkungsplatte 6230 ist ein Element, das die Strömungsrichtung des Brenngases einschränkt und von einer Unterseite des Aussparungsbereichs 6220 absteht, wobei sie sich in der Nähe der Düse 6300 in die nähere Umgebung des Mittelpunkts des Aussparungsbereichs 6220 erstreckt. Ein Endbereich der Beschränkungsplatte 6230, der sich nahe der Düse 6300 befindet, ist entsprechend der Form einer Seitenoberfläche der Düse 6300 gekrümmt, und zwischen dem Endbereich der Beschränkungsplatte 6230 und der Düse 6300 ist ein Kanal A definiert.
Wenn das Brenngas in dieser Brennstoffzelle 6000, das von der Brenngas-Einlassöffnung 6210 zugeführt wird, aus einem Einspritzloch 6320 der Düse 6300 in einen Brenngaszuführkanal (Aussparungsbereich 6220) gespritzt wird, wird das Brenngas in der Strömungsrichtung durch die Innenseitenwände des Aussparungsbereichs 6220 des anodenseitigen Separators 6200 und durch die Beschränkungsplatte eingeschränkt, so dass das Brenngas von stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite entlang der Oberfläche der Anode 6100 strömt, wie durch die weißen Pfeile in 29 gezeigt ist. Dabei wird aufgrund des Ejektor- bzw. Ausstoßereffekts, der durch das eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Brenngas aus der Düse 6300 herbeigeführt wird, ein das ausströmende Gas (inertes Gas) und das Brenngas enthaltende Fluid auf der stromabwärtigen Seite in einen Spalt (Kanal A) gezogen, der zwischen dem Endbereich der Beschränkungsplatte 6230 und der Düse 6300 angeordnet ist, und zur stromaufwärtigen Seite umgewälzt. Auf diese Weise kann das Zurückbleiben des Fluids in dem Brenngaszuführkanal und auf der Oberfläche der Anode 6100 verhindert bzw. eingeschränkt werden.
Wenngleich im Übrigen in der Brennstoffzelle 6000 der vorstehenden Modifizierung das Fluid in Richtungen entlang der Oberfläche der Anode 6100 umgewälzt wird, indem der Ejektor- bzw. Ausstoßereffekt genutzt wird, kann auch jede andere Konstruktion verwendet werden, solange es sich dabei um eine Konstruktion handelt, in der das Fluid in Richtungen entlang der Oberfläche der Anode innerhalb der Brennstoffzelle umgewälzt wird. In der Brennstoffzelle 6000 ist anstelle der Düse 6300 oder der Beschränkungsplatte 6230 beispielsweise eine Gleichrichtungsplatte an einer Stelle angeordnet, die einen Brenngaszuführkanal ausbilden kann, wie z. B. eine Stelle in der Oberfläche der Anode 6100, dem anodenseitigen Separator 6200 etc., und das Fluid kann durch diese Gleichrichtungsplatte und die Brenngasströmung in Richtungen entlang der Oberfläche der Anode 6100 umgewälzt werden. Alternativ kann ein kleines Stellglied (z. B. eine Mikromaschine) entlang einem Umwälzweg innerhalb eines Gaskanals, wie z. B. dem Aussparungsbereich 6220 oder ähnlichem, eingebaut sein, um so eine Struktur zu bilden, die bewirkt, dass das Brenngas umgewälzt wird. Ferner ist auch eine Konstruktion denkbar, in der eine Temperaturdifferenz innerhalb des Aussparungsbereichs 6220 vorgesehen ist und die Konvektion genutzt wird, um eine Konvektion zu bewirken.
H18. MODIFIZIERUNG 18:
Unter Bezugnahme auf 30 und 31 erfolgt eine Beschreibung einer Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration in den Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen. 30 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das Brenngasströmungen als eine erste Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration darstellt. 31 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das Strömungen des Brenngases als eine zweite Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration darstellt. Zunächst werden jedoch Konstruktionen beschrieben, die den beiden Modifizierungen gemein sind. In diesen beiden Brennstoffzellen beinhaltet der elektrische Leistungsgenerator einen Rahmen bzw. ein Gehäuse 7550, eine MEA 7510 und einen anodenseitigen porösen Körper 7540. Ein mittlerer Bereich des Rahmens 7550 ist mit einem Öffnungsbereich 7555 versehen, in den die MEA 7510 eingepasst wird, und die MEA 7510 ist so angeordnet, dass dadurch der Öffnungsbereich 7555 abgedeckt ist. Der anodenseitige poröse Körper 7540 ist auf der MEA 7510 angeordnet. Darüber hinaus sind eine Mehrzahl von Durchgangslöchern, durch die das Brenngas, Luft oder das Kühlwasser gelangen, in einem äußeren Umfangsbereich des Rahmens bzw. Gehäuses 7550 angeordnet, der mit denen der vorhergehenden Ausführungsformen identisch ist.
Die erste Modifizierung und die zweite Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration unterscheiden sich von den vorstehenden Ausführungsformen dahingehend, dass in dem anodenseitigen porösen Körper die Brenngaszufuhr aus zwei Richtungen erfolgt. Die erste und die zweite Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration sind in ihrer Gesamtkonstruktion im Wesentlichen identisch, und sind vor allem dahingehend identisch, dass das Brenngas einem Separator (nicht gezeigt) zugeführt wird, doch in der Richtung der Brenngaszufuhr zum anodenseitigen porösen Körper 7540 unterscheiden sie sich voneinander. In der ersten Modifizierung der Brenngaszufuhrkonfiguration, wie in 30 gezeigt ist, ist, bezogen auf die äußeren Randbereiche des Öffnungsbereichs 7555 des Rahmens 7550, ein Brenngas-Zuführschlitz 7417a zum Zuführen des Brenngases zum anodenseitigen porösen Körper 7540 nahe eines langen seitlichen Randbereichs angeordnet, und ein weiterer Brenngaszuführschlitz 7417b ist in der Nähe der anderen langen seitlichen Rands angeordnet, der dem vorstehenden langen seitlichen Rand gegenüberliegt. In der zweiten Modifizierung sind hingegen, wie in 31 gezeigt ist, Brenngaszuführschlitze 7517a, 7517b neben den beiden einander gegenüberliegenden kurzen Seiten des Öffnungsbereichs 7555 angeordnet.
In der ersten Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration wird das Brenngas durch den Brenngaszuführschlitz 7417a oder den Brenngaszuführschlitz 7417b in den anodenseitigen porösen Körper 7540 eingeführt, wobei es von den Seiten des langen seitlichen Endbereichs zu einem mittleren Bereich des anodenseitigen porösen Körpers 7540, d. h. in der Richtung der Pfeile 7600a (von einer Unterseite in 30 abwärts), strömt. Somit treffen das Brenngas, das durch den Brenngaszuführschlitz 7417a dem anodenseitigen porösen Körper 7540 zugeführt wird, und das Brenngas, das durch den Brenngaszuführschlitz 7417b dem anodenseitigen porösen Körper 7540 zugeführt wird, aufeinander und vermischen sich in der Nähe des mittleren Bereichs des Moduls. In der zweiten Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration wird das Brenngas hingegen dem anodenseitigen porösen Körper 7540 durch den Brenngaszuführschlitz 7517a oder den Brenngaszuführschlitz 7517b zugeführt, wobei es von den kurzen seitlichen Endbereichen zu einem mittleren Bereich des anodenseitigen porösen Körpers 7540, d. h. in der Richtung der Pfeile 700a (von links nach rechts in 31) und in der Richtung der Pfeile 7700b (von rechts nach links in 31) strömt. Aber auch in der zweiten Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration treffen das Brenngas, das dem anodenseitigen porösen Körper 7540 durch den Brenngaszuführschlitz 7517a zugeführt wird, und das Brenngas, das dem anodenseitigen porösen Körper 7540 durch den Brenngaszuführschlitz 7517b zugeführt wird, aufeinander und vermischen sich in der Nähe des mittleren Bereichs des Moduls.
Gemäß der ersten und der zweiten Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration wird das Brenngas dem anodenseitigen porösen Körper 7540 in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen aus den Brenngaszuführschlitzen 7417a, 7417b (oder den Brenngaszuführschlitzen 7517a, 7517b) zugeführt, die nahe den beiden einander gegenüberliegenden seitlichen Endbereichen des anodenseitigen porösen Körpers 7540 angeordnet sind. Die so zugeführten zueinander entgegengesetzten Brenngasströmungen treffen an einem mittleren Bereich des anodenseitigen porösen Körper 7540 aufeinander und vermischen sich. Somit kann dahingehend ein Vorteil erreicht werden, dass die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass das ausströmende Gas (inerte Gas) nicht lokalisiert bzw. eingegrenzt werden kann. Somit kann eine Verbesserung der Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle erreicht werden. Da das Brenngas aus zwei zueinander entgegengesetzten Seiten zugeführt wird, kann dahingehend ein Vorteil erreicht werden, dass verhindert wird, dass sich das verteilende Brenngas von einer gewünschten Stelle innerhalb des anodenseitigen porösen Körpers 7540 wegbewegt. Obwohl in der ersten und der zweiten Modifizierung der Brenngaszuführkonfiguration als der Brenngaszuführkanal ein poröser Körper verwendet wird, ist der Brenngaszuführkanal im Übrigen nicht auf einen porösen Körper beschränkt, sondern es können verschiedene andere Zuführverfahren verwendet werden, die nachstehend beschrieben werden.
H19. MODIFIZIERUNG 19:
Es erfolgt nun eine Beschreibung einer Hochfahrzeitpunktsteuerung der Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen. In einer Brennstoffzelle gemäß dieser Modifizierung wird beim Hochfahren der Brennstoffzelle die Zufuhr des Brenngases zum anodenseitigen Brenngaskanal gestartet, und erst nach Verstreichen einer vorbe stimmten Zeit TA wird ein Verbraucher bzw. eine Last mit der Brennstoffzelle verbunden und Strom von der Brennstoffzelle gezogen. Aufgrund dieses Betriebs wird das ausströmende Gas (Stickstoffgas oder inerte Gas), das von der Kathodenseite zur Anodenseite ausgeströmt ist und darin nach Beendung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zurückgeblieben ist, durch den Druck des Brenngases während der vorbestimmten Zeit TA auf die Kathodenseite zurückgeschoben bzw. zurückgedrückt. Dementsprechend wird eine Last mit der Brennstoffzelle erst verbunden, nachdem die Menge des ausströmenden Gases, das auf der Anodenseite verblieben ist, zurückgegangen ist. Somit kann verhindert werden, dass es zu einer Situation kommt, in der beim Hochfahren der Brennstoffzelle die Brennstoffzelle betrieben wird, während das Brenngas in die Anode 820 ausströmt. Im Übrigen versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Begriff „Hochfahren” die Zufuhr der Reaktionsgase (des Brenngases und des Oxidationsgases) zur Brennstoffzelle und ein Verbinden einer Last mit der Brennstoffzelle. Ein Grund warum das ausströmende Gas in der Anodenseite während eines Stillstands der Brennstoffzelle zurückbleibt, ist, dass infolge des Stopps der Zufuhr des Brenngases der Brenngasdruck in der Anode abnimmt. Insbesondere in dem Fall, wo eine Konstruktion ohne Rückführeinrichtung an der Anode bzw. eine „Anode Dead-End-Konstruktion” verwendet wird, kann durch die Zufuhr des Brenngases nicht mit einer Abführung des ausströmenden Gases zu einem Abführweg gerechnet werden. Somit erweist es sich nach dem Start der Brennstoffzufuhr, bevor eine Last mit der Brennstoffzelle verbunden wird, als wirksam, sicherzustellen, das eine ausreichend lange Zeit TA verstrichen ist.
Dementsprechend ist die Verwendung einer Konstruktion möglich, bei der zum Zeitpunkt des Hochfahrens der Brennstoffzelle zumindest entweder die Zufuhrmenge des Brenngases oder die vorbestimmte Zeit TA vor der Verbindung einer elektrischen Last mit der Brennstoffzelle basierend auf der Menge des ausströmenden Gases, das zum Startzeitpunkt des Betriebs der Brennstoffzelle vorhanden war, festgelegt wird. Dieser Rückstandsbetrag des ausströmenden Gases kann beispielsweise anhand der Temperatur der Brennstoffzelle oder der Stillstandsdauer der Brennstoffzelle von der vorherigen Beendigung des Hochfahrens bis zum gegenwärtigen Hochfahren der Brennstoffzelle abgeschätzt werden. Die Temperatur der Brennstoffzelle kann bei spielsweise anhand der Temperatur des Kühlmittels erfasst werden, dass die Brennstoffzelle kühlt. Dadurch kann die Rückstandsmenge des ausströmenden Gases in dem anodenseitigen Brenngaskanal verringert werden, während eine verkürzte Hochfahrzeit der Brennstoffzelle realisiert wird.
Ferner kann der Zeitpunkt des Verbindens einer Last mit der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Hochfahrens derselben anhand der Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite bestimmt werden. In den Brennstoffzellen der vorhergehenden Ausführungsformen ist an einer vorbestimmten Stelle in dem anodenseitigen Brenngaskanal ein Wasserstoffkonzentrationssensor angebracht. Zum Zeitpunkt des Hochfahrens der Brennstoffzelle wird der durch den Wasserstoffkonzentrationssensor erfasste Wasserstoffkonzentrationswert überwacht, nachdem die Zufuhr des Brenngases zum anodenseitigen Brenngaskanal gestartet worden ist. Wenn eine elektrische Last mit der Brennstoffzelle verbunden wird, nachdem der Wasserstoffkonzentrationswert einen vorbestimmten Schwellwert überschritten hat, kann verhindert werden, dass die Brennstoffzelle betrieben wird, während an der Anode 820 ein Wasserstoffmangel vorliegt. Darüber hinaus kann auch eine Konstruktion verwendet werden, bei der der Steuerzeitpunkt, zu dem eine elektrische Last mit der Brennstoffzelle verbunden wird, anhand des anodenseitigen Drucks oder der anodenseitigen Temperatur ermittelt wird.
Die vorstehend in Verbindung mit den Ausführungsformen beschriebenen Brennstoffzellen beinhalten als den Betriebsmodus, bei dem das Brenngase zugeführt wird, einen Modus, in dem im Wesentlichen die gesamte zugeführte Brenngasmenge an der Anode verbraucht wird. Der Begriff „im Wesentlichen die gesamte zugeführte Brenngasmenge verbraucht wird” bedeutet hierin, dass das Brenngas nicht so verwendet wird, dass es aktiv aus der Anode extrahiert und im Brenngaszuführweg umgewälzt wird. Der Verbrauch des Brenngases umfasst die Beteiligung desselben an den elektrochemischen Reaktionen für die Leistungserzeugung, aber auch das Durchdringen der Elektrolytmembran durch dasselbe auf die gegenüberliegende Seite. Darüber hinaus ist das Ausströmen des Gases, das in einer Brennstoffzelle auftritt und von dem in der Realität auch ausgegangen wird, ebenfalls im Verbrauch beinhaltet. Die in einer Brennstoffzelle ausgeführte Leistungserzeugung, während das Brenngas aufgebraucht wird, wie vorste hend beschrieben ist, wird als „Dead-End-Betrieb” bezeichnet. Dieser Betrieb kann auch als Betriebsmodus verstanden werden, in dem das Brenngas im Wesentlichen vollständig für die Leistungserzeugung verwendet wird, während das Brenngas nicht nach außen abgeführt wird, sondern innerhalb der Brennstoffzelle zurückbleibt. Das bedeutet demzufolge, dass die mit dem Brenngas versorgte Anode allgemein eine geschlossene Struktur aufweist, bei der das Brenngas nicht abgeführt oder freigesetzt wird.
Der Betrieb der Brennstoffzelle, der durch Zuführen des Brenngases zur Anodenseite des Leistungsgenerators ausgeführt wird, wird als „Anode Dead-End-Betrieb” bezeichnet. Im „Anode Dead-End-Betrieb” wird die elektrische Leistungserzeugung in einem Zustand fortgesetzt, wo das Brenngas nicht von der Anodenseite abgeführt wird, während die Zufuhr des Brenngases zur Anodenseite fortgesetzt wird. Die Leistungserzeugung wird folglich ausgeführt, während im Wesentlichen die gesamte zugeführte Brenngasmenge auf der Anodenseite zumindest während eines konstanten bzw. stationären Leistungserzeugungsbetriebs einbehalten wird. In dem Fall, wo der Leistungsgenerator eine MEA (Membranelektrodenanordnung) beinhaltet, die durch Anbringen einer Anode und einer Kathode an zwei einander gegenüberliegende Oberflächen einer Elektrolytmembran ausgebildet wird, und eine elektrische Leistung erzeugt, in dem das Brenngas (in den meisten Fällen Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas) der Anodenseite zugeführt wird, wird im Wesentlichen die gesamte Menge des der Anode zugeführten Brenngases zur Leistungserzeugung genutzt, während bewirkt wird, dass dasselbe im Inneren zurückbleibt, ohne nach außen abgegeben zu werden. Dies bedeutet folglich, dass die mit dem Brenngas versorgte Anodenseite im Allgemeinen eine geschlossene Struktur aufweist, in der das Brenngas nicht abgeführt oder freigesetzt werden kann.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird der Betriebsmodus, in dem im Wesentlichen die gesamte, der brenngasverbrauchenden Schicht (Anode) zugeführte Brenngasmenge auf der Brenngasverbrauchsschicht verbraucht wird, als „Dead-End-Betrieb” bezeichnet. Auch wenn eine solche Konstruktion mit einer zusätzlichen Ausformung versehen ist, in der die Umwälzung des Brenngases aus der Brenngasverbrauchsschicht nicht vorgesehen ist, doch das Brenngas nominal zur Verwendung aus der Brenngasverbrauchsschicht extrahiert wird, ist diese gesamte Konstruktion ebenfalls durch den „Dead-End-Betrieb” umfasst. So ist beispielsweise eine Konstruktion denkbar, in der ein Kanal zum Extrahieren bzw. Abziehen einer kleinen Brenngasmenge aus der Brenngasverbrauchsschicht oder einer stromaufwärtigen Seite derselben angeordnet ist und das extrahierte Gas verbrannt wird, um dadurch eine Zubehörausstattung und dergleichen vorzuwärmen. Dieser Nominalverbrauch bzw. Nennverbrauch des Brenngases soll aus dem Begriff ”Verbrauch von im Wesentlichen der gesamten Brenngasmenge durch die Brenngasverbrauchsschicht” in den vorstehenden Ausführungsformen nicht ausgeschlossen werden, es sei denn, der Extraktion des Brenngases aus der Brenngasverbrauchsschicht oder der stromaufwärtigen Schicht derselben soll eine spezielle Bedeutung zukommen.
Die Brennstoffzellen gemäß den vorstehenden Ausführungsformen können außerdem auch als Brennstoffzelle verstanden werden, in denen der Betriebzustand realisiert bzw. ausgeführt wird, in dem die Leistungserzeugung in einem Zustand kontinuierlich bzw. fortwährend ausgeführt wird, wenn der Teildruck einer Verunreinigung (z. B. von Stickstoff) in der Anode (oder der Wasserstoffelektrode) mit dem Teildruck einer Verunreinigung (z. B. von Stickstoff) der Kathode (oder der Luftelektrode) im Gleichgewicht ist. Im Übrigen steht der Begriff „im Gleichgewicht” beispielsweise für einen Gleichgewichtszustand, und der Begriff ist nicht auf den Zustand beschränkt, in dem die beiden Teildrücke einander entsprechen.
Die Brennstoffzellen gemäß den vorstehenden Ausführungsformen beinhalten Konstruktionen, wie sie in 32 und 33 gezeigt sind. Das in 32 gezeigte Konstruktionsbeispiel weist einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal auf, durch den das Brenngas strömt. Der erste Kanal ist auf einer stromaufwärtigen Seite des zweiten Kanals angeordnet. Der erste Kanal und der zweite Kanal bilden über einen Hochwiderstands-Verbindungsbereich 2100x, der einen höheren Strömungswiderstand als der erste Kanal oder der zweite Kanal aufweist, miteinander eine Verbindung. Diese Kanäle führen das Brenngas von außerhalb der Leistungserzeugungsbereichsebene (der Außenseite der Brennstoffzelle) über eine Brenngaseinführöffnung (z. B. ein Verteiler) ein. In anderen Worten erfolgt die Brenngaszufuhr in den zweiten Kanal aus dem ersten Kanal hauptsächlich über den Hochwiderstandsverbindungsbereich 2100x (z. B. über nur den Hochwiderstands-Verbindungsbereich 2100x).
Obwohl der erste Kanal und der zweite Kanal durch Verwenden eines porösen Körpers wie in der vorhergehenden Ausführungsformen ausgebildet werden können, können die Kanäle z. B. auch als eine Kanalkonfiguration konstruiert sein, die von Dichtungselementen S1, S2 (32) sandwichartig umgeben ist, oder als eine Kanalkonfiguration, bei der ein bienenwabenförmiges Strukturelement H2 (33) verwendet wird.
Der Hochwiderstands-Verbindungsbereich 2100x, der hierin verwendet wird, kann ein Plattenelement sein, in dem eine Mehrzahl von Einführbereichen 2110x (Durchgangslöchern) in einer auf einer Ebene befindlichen Richtung verteilt ist, wie in 32 oder 33 gezeigt ist. Der Hochwiderstands-Verbindungsbereich 2100x erfüllt zumindest eine der nachstehenden Funktionen: Die erste Funktion ist eine „Funktion des Verhinderns bzw. Einschränkens der Zufuhr des Brenngases in einen Bereich im zweiten Kanal, der sich benachbart zur Brenngaseinführöffnung befindet”. Die zweite Funktion ist eine „Funktion des Verhinderns bzw. Einschränkens der Ungleichheit der Gasdrücke in der Ebene des zweiten Kanals entlang dem Anodenreaktionsbereich, die auf denselben in der Richtung im rechten Winkel zur Ebene einwirken”. Die dritte Funktion ist eine „Funktion des Umwandelns der Richtung des Brenngases, das in auf der gleichen Ebene befindlichen Richtungen strömt, in den ersten Kanal in der im rechten Winkel zur Ebene verlaufende Richtung” (oder eine Richtung, die sich mit der Ebene schneidet).
Die Brennstoffzellen gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen können ferner auch wie das nachstehend erläuterte Brennstoffzellensystem verstanden werden. Insbesondere handelt es sich bei diesem Brennstoffzellensystem um ein Brennstoffzellensystem, das einen Betriebsmodus beinhaltet, bei dem im Wesentlichen die gesamte Menge eines zugeführten Brenngases in einem Anodenreaktionsbereich verbraucht wird, und eine Einführöffnung beinhaltet, die ein Anodengas in eine Leistungserzeugungszelle einführt, einen ersten Gaskanal, der das Anodengas, das von der Einführöff nung in Richtungen geleitet wird, die sich innerhalb der Zelle auf einer Ebene befinden, und einen Hochwiderstandsbereich, der sich entlang dem Anodenreaktionsbereich erstreckt und der einen höheren Strömungswiderstand aufweist als der erste Gaskanal und der das Anodengas von dem ersten Gaskanal zu einem zweiten Gaskanal über eine Mehrzahl von Verbindungsbereichen leitet, die in Richtungen verteilt sind, die sich innerhalb der Zelle auf einer Ebene befinden, während das Einströmen des Anodengases von dem ersten Gaskanal in den zweiten Gaskanal verhindert wird.
Die Brennstoffzellen der vorstehenden Ausführungsformen können auch als ein Brennstoffzellensystem verstanden werden, das wie nachstehend erläutert konstruiert ist. Dieses Brennstoffzellensystem kann insbesondere so konstruiert sein, dass der Hochwiderstandsbereich einen Verbindungsbereich aufweist, der mit einem Bereich in dem Anodenreaktionsbereich korrespondiert, und einen weiteren Verbindungsbereich, der mit einem anderen Bereich in dem Anodenreaktionsbereich korrespondiert, und bei dem in Bezug auf das in dem einen Bereich verbrauchte Anodengas der Anteil des Gases, der durch den einen Verbindungsbereich in dem Hochwiderstandsbereich gelangt ist, höher ist als der Anteil des Gases, der durch den anderen Verbindungsbereich gelangt ist, oder das System kann so konstruiert sein, dass der Hochwiderstandsbereich einen Verbindungsbereich aufweist, der mit einem Bereich in dem Anodenreaktionsbereich korrespondiert, und einen weiteren Verbindungsbereich, der mit einem weiteren Bereich in dem Anodenreaktionsbereich korrespondiert, und bei dem in Bezug auf das Anodengas, das durch den einen Verbindungsbereich gelangt ist, der Anteil des in dem einen Bereich im Anodenreaktionsbereich verbrauchten Gases höher ist als der Anteil des Gases, der in dem anderen Bereich in dem Anodenreaktionsbereich verbraucht wird.
Der Kathodenkanal kann hingegen eine Konstruktion aufweisen, bei der zumindest auf den Hochwiderstands-Verbindungsbereich verzichtet worden ist. Der Kathodenkanal kann ferner mit nur einem ersten Gaskanal versehen sein, der das von der Kathodeneinführöffnung zugeführte Kathodengas ohne Zuhilfenahme des zweiten Kanals in Richtungen leitet, die sich innerhalb der Zelle auf einer Ebene befinden. Wenn jedoch die sogenannte Gasdiffusionsschicht als ein zweiter Kanal betrachtet wird, kann es sich bei dem Kathodenkanal um eine Kombination aus dem ersten und dem zweiten Kanal handeln. Es ist jedenfalls zu erwarten, dass allein aufgrund des Verzichts auf den Hochwiderstands-Verbindungsbereich von der Kathodenelektrode, die Belastung der Kathodengaszuführeinrichtung abnimmt und sich die Ableiteigenschaften an der Kathodenelektrode verbessern. Die vorstehende Konstruktion ist insbesondere für ein System geeignet, in dem die Ableitleistung bzw. das Ableitverhalten der Anodenelektrode gering ist (d. h. es findet keine ständige Brenngasabführung statt).
Die Erfindung ist nicht auf die Brennstoffzellen gemäß der vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann als eine Vorrichtung auch auf andere Art und Weise realisiert werden. Darüber hinaus kann die Erfindung auch als Verfahren realisiert werden, wie z. B. ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle oder ähnliches.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll ganz im Gegenteil verschiedene Modifizierungen und entsprechende Anordnungen beinhalten. Obgleich die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die beispielhaften Charakters sind, gelten darüber hinaus auch andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr oder weniger Elemente oder nur ein einziges Element beinhalten, als ebenfalls vom Schutzbereich der Erfindung umfasst.
Zusammenfassung
Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle beinhaltet: eine anodenbildende Schicht (820), die auf einer Außenseite einer Oberfläche einer Elektrolytmembran (810) angeordnet ist und die eine Anode (820A) beinhaltet; eine Kathode (830), die auf einer Außenseite einer anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist; einen Trennwandbereich (825), der in der anodenbildenden Schicht in der Dickenrichtung derselben angeordnet ist und der zumindest eine Oberfläche der anodenbildenden Schicht, die entfernt von der Elektrolytmembran angeordnet ist, in Blöcke unterteilt, und der eine Bewegung eines Gases zwischen benachbarten Blöcken einschränkt; und einen Gaseinführbereich (840), der einen Gasleitungsbereich (865) aufweist, durch den das Brenngas hindurchgelangen kann und der das Brenngas über den Gasleitungsbereich in die Blöcke einführt, die durch den Trennwandbereich unterteilt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-6104 [0002]
- JP 2004-6104 A [0002]

Claims

Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Merkmale aufweist: eine Elektrolytmembran; eine anodenbildende Schicht, die auf einer Außenseite von einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist und die eine Anode beinhaltet; eine Kathode, die auf einer Außenseite einer anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist; und einen Gaseinführbereich zum Einführen eines Brenngases in die anodenbildende Schicht, wobei die anodenbildende Schicht mit einem Trennwandbereich versehen ist, der in einer Dickenrichtung der anodenbildenden Schicht von einer Seite der anodenbildenden Schicht gegenüber einer Seite der anodenbildenden Schicht ausgebildet ist, wo die Elektrolytmembran positioniert ist, und der zumindest einen Bereich der anodenbildenden Schicht in eine Mehrzahl von Blöcken unterteilt, und der eine Bewegung eines Gases zwischen benachbarten Blöcken einschränkt, und wobei der Gaseinführbereich einen Gasleitungsbereich aufweist, durch den das Brenngas gelangen kann, und das Brenngas über den Gasleitungsbereich in die Blöcke einführt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Blöcke so angeordnet sind, dass ein Block mit einem Gasleitungsbereich korrespondiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Trennwandbereich zumindest einen Bereich der anodenbildenden Schicht gitterartig unterteilt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Trennwandbereich zumindest einen Bereich der anodenbildenden Schicht bienenwabenartig unterteilt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend einen Oxidationsgaskanal bildenden Bereich, der auf einer Außenseite der Kathode angeordnet ist und der einen Oxidationsgas-Zuführkanal zum Zuführen eines Oxidationsgas in einer Richtung entlang einer Oberfläche der Kathode ausbildet, wobei ein Block, der mit einer stromaufwärtigen Seite in einer Strömungsrichtung des Oxidationsgases korrespondiert, das in dem Oxidationsgas-Zuführkanal strömt, ein kleineres Volumen aufweist als ein Block, der mit einer stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung korrespondiert.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend einen Oxidationsgaskanal bildenden Bereich, der auf einer Außenseite der Kathode angeordnet ist und der einen Oxidationsgas-Zuführkanal zum Zuführen eines Oxidationsgases in einer Richtung entlang einer Oberfläche der Kathode ausbildet, wobei ein Block, der mit einer stromabwärtigen Seite in einer Strömungsrichtung des Oxidationsgases korrespondiert, das in dem Oxidationsgas-Zuführkanal strömt, einer höhere Gasdurchlässigkeit aufweist als ein Block, der mit einer stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung korrespondiert.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Trennwandbereich so ausgebildet ist, dass jeder Block eine Kuppelform aufweist, deren oberer Bereich einer Richtung zugewandt ist, die sich entfernt von einer Seite der Anode befindet, wo die Elektrolytmembran positioniert ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Trennwandbereich so ausgebildet ist, dass er an einer Seite der anodenbildenden Schicht, die ”er gleichsweise nah an der Elektrolytmembran angeordnet ist, dünner ist als an einer Seite der anodenbildenden Schicht, die von der Elektrolytmembran vergleichsweise entfernt angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die anodenbildende Schicht eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in eben dieser Reihenfolge von einer Seite der anodenbildenden Schicht beinhaltet, die vergleichsweise nah an der Elektrolytmembran angeordnet befindet, und der Trennwandbereich zumindest in der Gasdiffusionsschicht ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Trennwandbereich in der Gasdiffusionsschicht ausgebildet ist, ohne die Katalysatorschicht zu kontaktieren.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Gaseinführbereich ein elektrisch leitfähiger Schichtbereich ist, der schichtförmig ausgebildet und gasundurchlässig ist und auf einer Seite der anodenbildenden Schicht angeordnet ist, die von der Elektrolytmembran entfernt angeordnet ist; der Gasleitungsbereich eine Mehrzahl von Durchgangslöchern aufweist, die entlang einer Schichtebene des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs verteilt angeordnet sind; und die Brennstoffzelle ferner einen Brenngaskanal bildenden Bereich aufweist, der auf einer Seite des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs angeordnet ist, der von der anodenbildenden Schicht entfernt angeordnet ist und der einen Brenngaszuführkanal zum Zuführen des Brenngases in einer Richtung entlang einer Ebene des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs ausbildet.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Anode eine geringere Gasdurchlässigkeit aufweist als der Brenngaszuführkanal, der durch den Brenngaskanal bildenden Bereich ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Durchgangslöcher, die in dem elektrisch leitfähigen Schichtbereich angeordnet sind, in Bezug auf eine Dickenrichtung des elektrisch leitfähigen Schichtbereichs geneigt angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei: der Gaseinführbereich ein rohrförmiges Element ist, durch dessen Inneres das Brenngas gelangt; und der Gasleitungsbereich eine Mehrzahl von Durchgangslöchern ist, die in dem rohrförmigen Element verteilt angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Gaseinführbereich ein rohrförmiges Element ist, durch dessen Inneres das Brenngas gelangt, und der Gasleitungsbereich des Gaseinführbereichs ein Öffnungsbereich ist, der in einem Endbereich des rohrförmigen Elements angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei im Wesentlichen eine gesamte Menge des Brenngases, das den Blöcken zugeführt wird, auf der Anode verbraucht wird.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Anodenseite des Brennstoffzelle eine geschlossene Struktur aufweist, in der das der Anode zugeführte Brenngas nicht nach außen abgeführt wird.