DE10008022B4 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten (12), die jeweils einen zwischen einer Anodenelektrode (20) und einer Kathodenelektrode (22) eingefügten Elektrolyten (18) aufweisen, wobei die Brennstoffzelleneinheiten (12) zwischen rechteckigen Trennteilen (14, 16) gestapelt sind,
wobei mehrere Fluidpassagen (42, 58) zwischen einem jeweiligen Trennteil (14, 16) und der Elektrode (20, 22) ausgebildet sind, um den Durchgang eines Fluids zu ermöglichen und eine Verbindung zwischen einem Fluideinlaß (36a, 52a, 38a, 54a) und, einem Fluidauslaß (36b, 52b, 38b, 54b), die an entgegengesetzten Enden des Trennteils (14, 16) ausgebildet sind, herstellen; und
wobei die an einem jeweiligen Trennteil (14, 16) angeordneten Fluidpassagen (42, 58) in mäandrierende Gruppen (44a–44f; 44g–44l) unterteilt sind,
wobei sich die Mäander jeder Gruppe (44a–44f; 44g–44l) in Richtung der Rechteck-Längsseite des Trennteils (14, 16) erstrecken und erste Wendebereiche der Mäander an Rechteck-Schmalseiten des Trennteils (14, 16) angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet,
dass den ersten Wendebereichen entgegengesetzte zweite Wendebereiche...
wobei mehrere Fluidpassagen (42, 58) zwischen einem jeweiligen Trennteil (14, 16) und der Elektrode (20, 22) ausgebildet sind, um den Durchgang eines Fluids zu ermöglichen und eine Verbindung zwischen einem Fluideinlaß (36a, 52a, 38a, 54a) und, einem Fluidauslaß (36b, 52b, 38b, 54b), die an entgegengesetzten Enden des Trennteils (14, 16) ausgebildet sind, herstellen; und
wobei die an einem jeweiligen Trennteil (14, 16) angeordneten Fluidpassagen (42, 58) in mäandrierende Gruppen (44a–44f; 44g–44l) unterteilt sind,
wobei sich die Mäander jeder Gruppe (44a–44f; 44g–44l) in Richtung der Rechteck-Längsseite des Trennteils (14, 16) erstrecken und erste Wendebereiche der Mäander an Rechteck-Schmalseiten des Trennteils (14, 16) angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet,
dass den ersten Wendebereichen entgegengesetzte zweite Wendebereiche...
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils von einem zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode zwischengefügten Elektrolyten gebildet sind, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten mit dazwischenliegenden Trennteilen gestapelt sind.
- Die Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle umfaßt z. B. eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, die entgegengesetzt an beiden Seiten eines Elektrolyten angeordnet sind, der von einer Polymerionenaustauschmembran (Kationenaustauschmembran) gebildet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit zwischen Trennteilen zwischengefügt ist. Üblicherweise wird die Brennstoffzelle als ein Brennstoffzellenstapel verwendet, umfassend eine vorbestimmte Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten und eine vorbestimmte Anzahl der Trennteile, die miteinander gestapelt sind.
- Bei einer derartigen Brennstoffzelle wird ein Brennstoffgas, wie ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes Gas (nachfolgend als ”Wasserstoff-enthaltendes Gas” bezeichnet), welches der Anodenelektrode zugeführt wird, an der Katalysatorelektrode in Wasserstoffionen umgewandelt, und das Ion wird über den Elektrolyten, der geeignet befeuchtet ist, zu der Kathodenelektrode bewegt. Das während dieses Prozesses erzeugte Elektron wird für einen externen Schaltkreis extrahiert und das Elektron wird als elektrische Gleichstromenergie verwendet. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas wie ein Gas, das hauptsächlich Sauerstoff enthält (nachfolgend als ”Sauerstoff-enthaltendes Gas” bezeichnet), oder Luft wird der Kathodenelektrode zugeführt. Das Wasserstoffion, das Elektron und das Sauerstoffgas werden daher an der Kathodenelektrode miteinander zur Reaktion gebracht und somit wird Wasser erzeugt.
- Um das Brennstoffgas und das Sauerstoff-enthaltende Gas der Anodenelektrode bzw. der Kathodenelektrode zuzuführen, ist üblicherweise eine poröse, eine Leitfähigkeit besitzende Lage, z. B. ein poröses Carbonpapier an der Katalysatorelektrodenlage (Elektrodenoberfläche) angeordnet, und die poröse Lage ist durch das Trennteil gehalten. Ferner ist eine oder eine Mehrzahl von Gasflußpassagen, die mit einer gleichmäßigen breitenmäßigen Abmessung ausgelegt sind, an den wechselseitig gegenüberliegenden Oberflächen jedes der Trennteile vorgesehen.
- Bei einer derartigen Anordnung liegt das kondensierte Wasser oder das durch die Reaktion erzeugte Wasser im flüssigen Zustand (Wasser) in den Gasflußpassagen vor. Falls das Wasser in der porösen Lage angesammelt wird, so wird die Diffusionsleistung betreffend die Diffusion des Brennstoffgases und des Sauerstoff-enthaltenden Gases zu der Katalysatorelektrodenlage verringert. Es ist zu befürchten, daß die Zellenleistung deutlich verschlechtert wird.
- Im Hinblick auf diesen Umstand ist z. B. eine Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle bekannt, wie sie in der
JP 09-50819 A 5 gezeigt ist, umfaßt das Trennteil1 Durchgangslöcher2a ,2b für das Sauerstoff enthaltende Gas, Durchgangslöcher3a ,3b für das Wärmemedium und Durchgangslöcher4a ,4b für das Brennstoffgas, die an wechselseitig diagonalen Stellen vorgesehen sind, die jeweils den beiden Seiten der Katalysatorelektrodenlage entsprechen. - Zum Beispiel ist eine Mehrzahl von horizontalen Flußpassagenuten
5a und eine Mehrzahl von vertikalen Flußpassagenuten5b , die zwischen den Durchgangslöchern2a ,2b für das Sauerstoff-enthaltende Gas in Verbindung stehen, wechselseitig orthogonal an einer ersten Fläche1a des Trennteils1 der Kathodenelektrode gegenüberliegend angeordnet. Eine Mehrzahl von wechselseitig orthogonalen Nuten sind auf der Seite einer zweiten Fläche des Trennteils1 ausgebildet, um eine Verbindung zwischen den Durchgangslöchern3a ,3b für das Wärmemedium herzustellen. In ähnlicher Weise sind an dem Trennteil1 , das der Anodenelektrode gegenüberliegend angeordnet ist, auch nicht dargestellte Nuten ausgebildet, die sich orthogonal mäanderförmig in der horizontalen Richtung bzw. in der vertikalen Richtung erstrecken, um eine Verbindung zwischen den Durchgangslöchern4a ,4b für das Brennstoffgas herzustellen. - Wenn eine derartige Brennstoffzelle verwendet wird, so wird z. B. verlangt, daß die Brennstoffzelle an einem Automobilkörper oder dergleichen mitgeführt wird. In diesem Fall ist es meist praktikabel, daß die Brennstoffzelle unter dem Boden des Automobils installiert wird. Falls jedoch die Brennstoffzelle unter dem Boden des Automobils installiert wird, so ist es nicht möglich, in einer Fahrgastzelle einen ausreichenden Raum für Fahrgäste sicherzustellen, weil die Höhe des Automobils vergrößert wird, was nicht gewünscht ist. Deshalb ist es notwendig, daß die ganze Brennstoffzelle derart ausgelegt wird, daß sie eine geringe Größe in der Höhenrichtung besitzt.
- In dem Fall der oben beschriebenen herkömmlichen Technik ist die Katalysatorelektrodenlage jedoch so, dass sie eine rechteckige Konfiguration mit einer vertikalen Länge aufzuweist, die länger als eine horizontale Länge ist. Ferner hat das ganze Trennteil
1 eine im wesentlichen quadratische Konfiguration. Aus diesem Grund ist auf folgendes Problem hinzuweisen. Falls es nämlich beabsichtigt ist, die Größe in der Höhenrichtung des Trennteils1 zu verringern, so wird die Fläche der Katalysatorelektrodenlage beträchtlich verringert. Infolgedessen ist es nicht möglich, die Elektrodenfläche des Stapels wirkungsvoll sicherzustellen, und es ist schwierig, eine gewünschte Energieerzeugungsleistung, insbesondere Energieerzeugungskapazität zu erzielen. Im Hinblick auf diesen Umstand ist es denkbar, daß eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in einer ausgerichteten Weise angeordnet werden. Allerdings treten bei einer derartigen Anordnung insofern andere Probleme auf, als die Struktur kompliziert ist und eine derartige Anordnung nicht wirtschaftlich ist. - In der
US 5 776 624 A , auf der der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht, wird eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen beschrieben, die aus Stahlblech hergestellt wurde. Zur gleichmäßigen Gasverteilung auf den Oberflächen der bipolaren Platte wurden auf beiden Oberflächen mäanderförmige Kanalstrukturen eingeprägt. Dabei befinden sich die Wendepunkte der Mäander an den Schmalseiten der bipolaren Platte. Die Mäanderkanäle sind in unterschiedliche Kanalgruppen unterteilt, die einen separaten Fluideinlass bzw. Fluidauslass aufweisen. - Bei dem Brennstoffzellenstapel der
US 5 300 370 A sind quadratische Trennteile vorgesehen, an welchen sich jeweils eine Fluidpassage befindet, die einen Durchgang eines Fluids ermöglicht.6 der Druckschrift zeigt eine ”single flow channel”-Ausführung, bei welcher in einem zentralen quadratischen Flächenabschnitt der planaren Oberfläche des Trennteils eine einzige mäanderförmig verlaufende Flusspassagenut vorgesehen ist.8 der Druckschrift zeigt eine ”multiple continuous flow channel”-Ausführung, bei welcher in einem zentralen quadratischen Flächenabschnitt der planaren Oberfläche des Trennteils eine Mehrzahl von Flusspassagenuten mäanderförmig nebeneinander verlaufen. - Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem die Größe in der Höhenrichtung effektiv verkleinert ist und der es ermöglicht, eine gewünschte Energieerzeugungsleistung mit einem einfachen Aufbau zuverlässig zu erzielen.
- Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 1 angegeben,
- Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Bei dem Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung ist die planare Fläche des Trennteils rechteckig. Deshalb ist es möglich, die Schmalseite in der Höhenrichtung des gesamten Brennstoffzellenstapels anzuordnen. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel effektiv installiert werden, z. B. unter dem Boden des Automobilkörpers, ohne die Höhe des Automobils zu vergrößern. Ferner ist die Form des Trennteils in der horizontalen Richtung lang. Deshalb ist es möglich, die ausreichende Elektrodenfläche des Stapels mit der einfachen Struktur sicherzustellen, und es ist möglich, die gewünschten Energieerzeugungs-Leistungseigenschaften zuverlässig zu erzielen. Ferner hat die Fluidpassage, die für das Trennteil vorgesehen ist, die mäanderförmige Gestalt, um sich in Längsseitenrichtung in der planaren Oberfläche zu erstrecken und an der kurzen Seite zu wenden. Deshalb kann das in der Fluidpassage erzeugte Wasser gleichmäßig und zuverlässig abgegeben werden.
- Der Brennstoffzellenstapel
10 hat ein erstes Trennteil14 mit rechteckiger Oberfläche14a . Eine Brennstoffgasflußpassage42 zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Brennstoffgaseinlaß36a und einem Brennstoffgasauslaß36b ist an der Oberfläche14a vorgesehen. Die Brennstoffgasflußpassage42 hat eine mäanderartig verlaufende Gestalt, die sich in einer Längsseitenrichtung erstreckt und an einer Schmalseite35b wendet, um zu ermöglichen, daß ein Brennstoffgas in der Richtung der Gravitation strömt. Dementsprechend ist es möglich, eine Größe in der Höhenrichtung wirksam zu verkleinern. Ferner ist es möglich, eine gewünschte Energieerzeugungsleistung mit einer einfachen Struktur zu erzielen. - Die obige und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt ist.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; -
2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht, die den Brennstoffzellenstapel veranschaulicht; -
3 zeigt eine Frontansicht, die eine erste Oberfläche eines ersten Trennteils zum Aufbau des Brennstoffzellenstapels veranschaulicht; -
4 zeigt eine Frontansicht, die eine zweite Oberfläche des ersten Trennteils veranschaulicht; und -
5 zeigt eine Frontansicht, die ein Trennteil zum Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß der herkömmlichen Technik veranschaulicht. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht, die den Brennstoffzellenstapel10 veranschaulicht. - Der Brennstoffzellenstapel
10 umfaßt eine Brennstoffzelleneinheit12 sowie erste und zweite Trennteile14 ,16 , um die Brennstoffzelleneinheit12 dazwischen eingefügt zu halten. Eine Mehrzahl von Sätzen dieser Komponenten werden optional miteinander gestapelt. Der Brennstoffzellenstapel10 besitzt im ganzen eine rechteckige parallelepipedförmige Konfiguration. Wenn der Brennstoffzellenstapel10 z. B. an einem Automobil mitgeführt wird, so wird er derart angeordnet, daß die Richtung der Schmalseite (Richtung des Pfeils A) in die Richtung der Gravitation gerichtet ist und die Richtung der Längsseite (Richtung des Pfeils B) in die horizontale Richtung gerichtet ist. - Die Brennstoffzelleneinheit
12 weist eine Feststoffpolymer-Ionenaustauschmembran18 sowie eine Anodenelektrode20 und eine Kathodenelektrode22 auf, die mit der Ionenaustauschmembran18 dazwischenliegend angeordnet sind. Erste und zweite Gasdiffusionslagen24 ,26 , von denen jede z. B. aus porösem Carbonpapier als eine poröse Lage gebildet ist. Sind für die Anodenelektrode20 und die Kathodenelektrode22 angeordnet. - Erste und zweite Dichtungen
28 ,30 sind an beiden Seiten der Brennstoffzelleneinheit12 vorgesehen. Die erste Dichtung28 besitzt eine große Öffnung32 zum Unterbringen der Anodenelektrode20 und der ersten Gasdiffusionslage24 . Die zweite Dichtung30 besitzt eine große Öffnung34 zum Unterbringen der Kathodenelektrode22 und der zweiten Gasdiffusionslage26 . Die Brennstoffzelleneinheit12 und die ersten und zweiten Dichtungen28 ,30 sind zwischen den ersten und zweiten Trennteilen14 ,16 eingefügt. - Wie es in den
1 und3 gezeigt ist, ist das erste Trennteil14 derart ausgelegt, daß jede der Anodenelektrode20 gegenüberliegende Oberfläche (planare Oberfläche)14a und die Oberfläche (planare Oberfläche)14b an der entgegengesetzten Seite eine rechteckige Gestalt besitzt. Wenn ein Brennstoffzellenstapel10 an dem Automobil mitgeführt wird, so wird das erste Trennteil14 derart angeordnet, daß die Längsseite35a in die horizontale Richtung gerichtet ist und die Schmalseite35b in die Richtung der Gravitation gerichtet ist. Das Verhältnis der Längsseite35a zu der Schmalseite35b wird beispielsweise auf etwa 2:1 festgelegt. - Ein Brennstoffgaseinlaß
36a , der es erlaubt, daß ein Brennstoffgas wie ein Wasserstoff-enthaltendes Gas hindurchtritt, sowie ein Einlaß38a für Sauerstoff-enthaltendes Gas, der es erlaubt, daß ein Sauerstoff-enthaltendes Gas wie ein Gas, das Sauerstoff enthält, oder Luft hindurchtritt, sind an oberen Abschnitten an den beiden Endrändern an der Schmalseite35b des ersten Trennteils14 vorgesehen. Ein Kühlmediumeinlaß40a und ein Kühlmediumauslaß40b , die es erlauben, daß ein Kühlmedium wie reines Wasser oder Ethylenglykol hindurchtritt, sind an zentralen Abschnitten an den beiden Endrändern an der Schmalseite35b des ersten Trennteils14 vorgesehen. Ein Brennstoffgasauslaß36b und ein Auslaß38b für Sauerstoff-enthaltendes Gas sind an diagonalen Stellen relativ zu dem Brennstoffgaseinlaß36a bzw. dem Einlaß38a für Sauerstoff-enthaltendes Gas an unteren Abschnitten an den beiden Endrändern an der Schmalseite35b des ersten Trennteils14 vorgesehen. - Eine Brennstoffgasflußpassage (Fluidpassage)
42 , die mit dem Brennstoffgaseinlaß36a und dem Brennstoffgasauslaß36b in Verbindung steht, ist an der Oberfläche14a des ersten Trennteils14 ausgebildet. Die Brennstoffgasflußpassage42 weist eine Mehrzahl, z. B. zwanzig erste Gasflußpassagenuten44a bis44l auf. Erste Enden der ersten Gasflußpassagenuten44a bis44l stehen in Verbindung mit dem Brennstoffgaseinlaß36a . Die ersten Gasflußpassagenuten44a bis44l erstrecken sich einmal in der Längsseitenrichtung (Richtung des Pfeils B) des ersten Trennteils14 und sie werden dann in eine Mehrzahl, z. B. zwei, Gruppen in der Längsseitenrichtung aufgeteilt. - Im besonderen erstrecken sich die ersten Gasflußpassagenuten
44a bis44f von dem Brennstoffgaseinlaß36a zu der Stelle in der Nachbarschaft des Einlasses38a für Sauerstoff-enthaltendes Gas. Andererseits erstrecken sich die ersten Gasflußpassagenuten44g bis44l zu der Stelle in der Nachbarschaft eines im wesentlichen zentralen Abschnitts (nachfolgend als ”Zentralabschnitt P”) in der Längsseitenrichtung des ersten Trennteils14 . Die ersten Gasflußpassagenuten44a bis44f sind in der Richtung der Gravitation entlang einer Mäanderanordnung vorgesehen, in der sie sich in der Richtung des Pfeils B in der rechten abgeteilten Fläche in3 von dem Zentralabschnitt P in der Oberfläche14a erstrecken, und sie wenden an der Schmalseite35b . Jeweils zwei der ersten Gasflußpassagenuten44a bis44f laufen an Zwischenabschnitten zu einer zusammen, um jeweils eine von zweiten Gasflußpassagenuten46a bis46c zu ergeben. In ähnlicher Weise sind die zweiten Gasflußpassagenuten46a bis46c in die Richtung des Pfeils B gerichtet, wenden an der Schmalseite35b , um in der Richtung der Gravitation mäanderförmig zu verlaufen, und sie treten dann in Verbindung mit dem Brennstoffgasauslaß36b . - Die ersten Gasflußpassagenuten
44g bis44l sind in die Richtung des Pfeils B in der linken abgeteilten Fläche in3 von dem Zentralabschnitt P in der Oberfläche14a gerichtet, und sie wenden an der Schmalseite35b , um in der Richtung der Gravitation mäanderförmig zu verlaufen. Jeweils zwei der ersten Gasflußpassagenuten44g bis44l laufen an Zwischenabschnitten zu einer zusammen, um jede von zweiten Gasflußpassagenuten46d bis46f zu ergeben. Die zweiten Gasflußpassagenuten46d bis46f sind in die Richtung des Pfeils B gerichtet, wenden an der Schmalseite35b , um sich in der Richtung der Gravitation mäanderförmig verlaufend zu erstrecken, und stehen in Verbindung mit dem Brennstoffgasauslaß36b . - Wie es in
4 gezeigt ist, sind Kühlmediumflußpassagen (Fluidpassagen)48a bis48f , die mit dem Kühlmediumeinlaß40a und dem Kühlmediumauslaß40b in Verbindung stehen, an der Oberfläche14b an der Seite vorgesehen, die der Oberfläche14a des Trennteils14 entgegengesetzt ist. Jede der Kühlmediumflußpassagen48a bis48f besitzt einzelne Hauptflußpassagenuten50a ,50b , die mit dem Kühlmediumeinlaß40a bzw. dem Kühlmediumauslaß40b in Verbindung stehen, und eine Mehrzahl, z. B. vier, abgezweigte Flußpassagenuten51 , die zwischen den Hauptflußpassagenuten50a ,50b vorgesehen sind. - Wie es in
1 gezeigt ist, hat das zweite Trennteil16 eine rechteckige Konfiguration. Ein Brennstoffgaseinlaß52a und ein Einlaß54a für Sauerstoff-enthaltendes Gas sind dazu ausgebildet, ein Durchlaß an oberen Abschnitten an den beiden Endrändern an der Schmalseite des zweiten Trennteils16 zu bilden. Ein Kühlmediumeinlaß56a und ein Kühlmediumauslaß56b bilden einen Durchlaß an zentralen Abschnitten an den beiden Endrändern des zweiten Trennteils16 zu bilden. Ein Brennstoffgasauslaß52b und ein Auslaß54b für Sauerstoff-enthaltendes Gas sind dazu ausgebildet, einen Durchlaß an diagonalen Stellen relativ zu dem Brennstoffgaseinlaß52a bzw. dem Einlaß54a für Sauerstoff-enthaltendes Gas an unteren Abschnitten an den beiden Endrändern an der Schmalseite des zweiten Trennteils16 . - Wie es in
2 gezeigt ist, ist eine Flußpassage für Sauerstoff-enthaltendes Gas (Fluidpassage)58 , die eine Verbindung zwischen dem Einlaß54a für Sauerstoff-enthaltendes Gas und dem Auslaß54b für Sauerstoff-enthaltendes Gas herstellt, an der Oberfläche16a des zweiten Trennteils16 ausgebildet, die der Kathodenelektrode22 gegenüberliegt. Die Flußpassage58 für Sauerstoff-enthaltendes Gas weist erste Gasflußpassagenuten60a bis60l und zweite Gasflußpassagenuten61a bis61f in der gleichen Art und Weise wie die Brennstoffgasflußpassage42 auf, so daß auf eine detaillierte Beschreibung davon verzichtet wird. - Wie es in
1 gezeigt ist, sind Kühlmediumflußpassagen62a bis62f , die eine Verbindung zwischen dem Kühlmediumeinlaß56a und dem Kühlmediumauslaß56b herstellen, an der Oberfläche16b auf der Seite ausgebildet, die der Oberfläche16a des zweiten Trennteils16 entgegengesetzt ist. Die Kühlmediumflußpassagen62a bis62f sind in der gleichen Weise konstruiert wie die Kühlmediumflußpassagen48a bis48f , die für das erste Trennteil14 vorgesehen sind. Die gleichen Strukturkomponenten sind durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet, so daß auf deren detaillierte Erläuterung verzichtet wird. - Nachfolgend wird die Funktion des Brennstoffzellenstapels
10 gemäß der wie oben beschrieben konstruierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. - Das Brennstoffgas (z. B. reformiertes Gas) wird dem Inneren des Brennstoffzellenstapels
10 zugeführt und die Luft (oder ein Gas enthaltend Sauerstoff) als das Sauerstoff-enthaltende Gas wird diesem zugeführt. Das Brennstoffgas wird von dem Brennstoffgaseinlaß36a des ersten Trennteils14 in die Brennstoffgasflußpassage42 eingeleitet. Wie es in3 gezeigt ist, wird das Brennstoffgas, das der Brennstoffgasflußpassage42 zugeführt wird, in die ersten Gasflußpassagenuten44a bis44l eingeleitet und wird in der Richtung der Gravitation bewegt, wobei es mäanderförmig in der Längsseitenrichtung (Richtung des Pfeils B) der Oberfläche14a des ersten Trennteils14 verläuft. - Im besonderen, strömt das Brennstoffgas, das in die ersten Gasflußpassagenuten
44a bis44f eingeleitet wird, in der Längsseitenrichtung bis zu der Stelle in der Nachbarschaft des Einlasses38a für Sauerstoff-enthaltendes Gas, dreht danach an der Schmalseite35b um, dreht an der Stelle in der Nachbarschaft des Zentralabschnitts P der Oberfläche14a wieder um und verläuft mäanderförmig in der Richtung der Gravitation. Dementsprechend wird das Brennstoffgas bewegt, wobei es mäanderförmig in der Richtung der Gravitation in der abgeteilten Fläche der Hälfte der Fläche14a verläuft, wobei es danach in die zweiten Gasflußpassagenuten46a bis46c eingeleitet wird, und es wird dem Brennstoffgasauslaß36b zugeführt. Während dieses Prozesses verläuft das Wasserstoff-enthaltende Gas in dem Brennstoffgas durch die erste Gasdiffusionslage24 und wird der Anodenelektrode20 der Brennstoffzelleneinheit12 zugeführt. Andererseits verläuft das Brennstoffgas, das nicht verwendet wird, durch die zweiten Gasflußpassagenuten46a bis46c und wird von dem Brennstoffgasauslaß36b ausgelassen. - Andererseits dreht das Brennstoffgas, das in die ersten Gasflußpassagenuten
44g bis44l eingeleitet wird, an dem Zentralabschnitt P in der Oberfläche14a um. Das Brennstoffgas strömt in der Längsseitenrichtung (Richtung des Pfeils B) in der abgeteilten Fläche von der Hälfte der Oberfläche14a , dreht an der Schmalseite35b um und wird der Anodenelektrode20 zugeführt, wobei es in der Richtung der Gravitation mäanderförmig verläuft. Der Anteil des Brennstoffgases, der nicht verwendet wird, wird zu dem Brennstoffgasauslaß36b ausgelassen. - In dem zweiten Trennteil
16 wird die Luft, die von dem Einlaß54a für Sauerstoff-enthaltendes Gas zu der Flußpassage58 für Sauerstoff-enthaltendes Gas zugeführt wird, bewegt, wobei es in der Richtung der Gravitation in den jeweiligen zweigeteilten Flächen in der Längsseitenrichtung der Oberfläche16a mäanderförmig verläuft. Während dieses Prozesses wird das Sauerstoff-enthaltende Gas in der Luft von der zweiten Gasdiffusionslage26 in der gleichen Weise der Kathodenelektrode22 zugeführt, wie das Brennstoffgas der Brennstoffgasflußpassage42 zugeführt wird. Andererseits wird die nicht verwendete Luft von dem Auslaß54b für Sauerstoff-enthaltendes Gas ausgelassen. - Das Kühlmedium wird dem Brennstoffzellenstapel
10 ebenfalls zugeführt. Das Kühlmedium wird den Kühlmediumeinlässen40a ,56a des ersten und zweiten Trennteils14 ,16 zugeführt. Wie es in4 gezeigt ist, wird das Kühlmedium, das dem Kühlmediumeinlaß40a des ersten Trennteils14 zugeführt wird, in die jeweiligen Hauptflußpassagenuten50a eingeleitet, die die Kühlmediumflußpassagen48a bis48f bilden. Das Kühlmedium strömt in der Aufwärtsrichtung, in der horizontalen Richtung und in der Abwärtsrichtung entlang den Hauptflußpassagenuten50a . Das Kühlmedium wird in eine Mehrzahl von abgezweigten Flußpassagenuten51 eingeleitet, die von den jeweiligen Hauptflußpassagenuten50a abgezweigt sind. Das Kühlmedium strömt in der horizontalen Richtung im wesentlichen über die gesamte Oberfläche der Oberfläche14b entlang der abgezweigten Flußpassagenuten51 , verläuft durch die Hauptflußpassagenuten50b , in welche die abgezweigten Flußpassagenuten51 zusammenlaufen, und wird von dem Kühlmediumauslaß40b ausgelassen. - Andererseits verläuft das Kühlmedium, das zu dem Kühlmediumeinlaß
56a des zweiten Trennteils16 zugeführt wird, durch die Kühlmediumflußpassagen62a bis62f und wird geradlinig im wesentlichen über die ganze Oberfläche der Oberfläche16b bewegt. Danach wird das Kühlmedium von dem Kühlmediumauslaß56b ausgelassen. - Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in
1 gezeigt ist, sind die Brennstoffzelleneinheit12 und die ersten und zweiten Trennteile14 ,16 dazu ausgelegt, die rechteckige Gestaltung zu besitzen. Das Verhältnis der Schmalseite zu der Langseite ist z. B. auf etwa 1:2 festgesetzt. Der Brennstoffzellenstapel10 wird aufgebaut durch Stapeln der Komponenten miteinander, wobei es ermöglicht ist, daß die Schmalseite in die Richtung der Gravitation gerichtet ist. Der Brennstoffzellenstapel10 wird z. B. an einem Rumpf oder dergleichen eines nicht dargestellten Automobils getragen. - Dementsprechend ist die Größe in der Höhenrichtung des Brennstoffzellenstapels
10 stark verkleinert. Wenn der Brennstoffzellenstapel10 unter dem Boden des Körpers angeordnet wird, ist es möglich, einen Raum für Fahrgäste wirksam sicherzustellen, indem jegliche Vergrößerung in der Höhe des Automobils vermieden wird. Ferner ist die Brennstoffzelleneinheit12 dazu konstruiert, die lange Größe in der horizontalen Richtung zu besitzen. Deswegen wird die Wirkung erzielt, daß die gewünschte Energieerzeugungsleistung zuverlässig erhalten werden kann, indem die Elektrodenfläche des Stapels sichergestellt wird. - Die Brennstoffgasflußpassage
42 , die an der Oberfläche14a des ersten Trennteils14 vorgesehen ist, ist z. B. dazu ausgelegt, daß die Form sich in der Längsseitenrichtung (Richtung des Pfeils B) erstreckt, an der Schmalseite35b wendet und in der Richtung der Gravitation mäanderförmig verläuft. Deshalb wird das Wasser, das in der Brennstoffgasflußpassage42 erzeugt wird, leicht in der Richtung der Gravitation bewegt. Das Wasser kann zuverlässig von der Oberfläche14a des ersten Trennteils14 abgegeben werden. - Die Brennstoffgasflußpassage
42 besitzt die zwölf ersten Gasflußpassagenuten44a bis44l , die in die Gruppen aufgeteilt sind, von denen jede sechs einzelne umfaßt. Die ersten Gasflußpassagenuten44a bis44f sind in der Richtung der Gravitation vorgesehen, wobei sie in der ersten abgeteilten Fläche von dem Zentralabschnitt P der Oberfläche14a mäanderförmig verlaufen. Andererseits sind die ersten Flußpassagenuten44g bis44l in der Richtung der Gravitation vorgesehen, wobei sie in der zweiten abgeteilten Fläche von dem Zentralabschnitt P mäanderförmig verlaufen. - Dementsprechend ist die Flußpassagelänge auf die Hälfte verringert im Vergleich zu der Struktur, bei der die ersten Flußpassagenuten
44a bis44l in den Brennstoffgasauslaß36b geführt werden, wobei sie entlang der Oberfläche14a kontinuierlich mäanderförmig verlaufen. Deshalb ist es möglich, eine gleichmäßige Gaskonzentration in der Elektrodenoberfläche zu erzielen. Somit ist es möglich, die Verringerung der Ausgangsdichte wirksam zu vermeiden. - Ferner laufen jeweils zwei der ersten Gasflußpassagenuten
44a bis44l an den Zwischenabschnitten in eine zusammen, um eine Verbindung mit den zweiten Gasflußpassagenuten46a bis46f herzustellen, und sie stehen dann in Verbindung mit dem Brennstoffgasauslaß36b . Wenn das Brennstoffgas ausgehend von dem Brennstoffgaseinlaß36a hin zu dem Brennstoffauslaß36b verbraucht wird, ist es möglich, die Verringerung der Anzahl von reaktiven Molekülen pro Einheitsfläche seitens des Brennstoffgasauslasses36b zu vermeiden. Somit ist es möglich, die gleichmäßige Reaktion über die Elektrodenoberfläche zu realisieren. Bei dieser Ausführungsform kann die Dicke des ersten Trennteils14 im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur dünn vorgesehen werden, bei der die Querschnittsfläche der Flußpassage durch Veränderung der Tiefe der Nut verändert wird. Somit ist es einfach, eine kleine Größe des gesamten Brennstoffzellenstapels10 zu realisieren. - Ferner sind der Brennstoffgaseinlaß
36a , der Einlaß38a für Sauerstoff-enthaltendes Gas, der Kühlmediumeinlaß40a , der Brennstoffgasauslaß36b , der Auslaß38b für Sauerstoff-enthaltendes Gas sowie der Kühlmediumauslaß40b an den beiden Endrandabschnitten an der kurzen Seite35b des ersten Trennteils14 vorgesehen. Deshalb kann die Größe der kurzen Seite35b des ersten Trennteils14 wirksam verkürzt werden. Somit ist es möglich, eine kleine Größe in der Höhenrichtung des gesamten Brennstoffzellenstapels10 vorzusehen. - Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche
14a des ersten Trennteils14 in zwei Teile in der Längsseitenrichtung aufgeteilt. Die ersten Gasflußpassagen44a bis44f ,44g bis44l sind in den jeweiligen abgeteilten Flächen vorgesehen. Es ist jedoch möglich, daß die Oberfläche14a in drei oder mehr Teile aufgeteilt wird, z. B. abhängig von der Größe der Oberfläche14a in der Längsseitenrichtung. Selbstverständlich kann das zweite Trennteil16 in der gleichen Weise wie das erste Trennteil14 ausgelegt werden, wie es oben beschrieben wurde.
Claims (6)
- Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten (
12 ), die jeweils einen zwischen einer Anodenelektrode (20 ) und einer Kathodenelektrode (22 ) eingefügten Elektrolyten (18 ) aufweisen, wobei die Brennstoffzelleneinheiten (12 ) zwischen rechteckigen Trennteilen (14 ,16 ) gestapelt sind, wobei mehrere Fluidpassagen (42 ,58 ) zwischen einem jeweiligen Trennteil (14 ,16 ) und der Elektrode (20 ,22 ) ausgebildet sind, um den Durchgang eines Fluids zu ermöglichen und eine Verbindung zwischen einem Fluideinlaß (36a ,52a ,38a ,54a ) und, einem Fluidauslaß (36b ,52b ,38b ,54b ), die an entgegengesetzten Enden des Trennteils (14 ,16 ) ausgebildet sind, herstellen; und wobei die an einem jeweiligen Trennteil (14 ,16 ) angeordneten Fluidpassagen (42 ,58 ) in mäandrierende Gruppen (44a –44f ;44g –44l ) unterteilt sind, wobei sich die Mäander jeder Gruppe (44a –44f ;44g –44l ) in Richtung der Rechteck-Längsseite des Trennteils (14 ,16 ) erstrecken und erste Wendebereiche der Mäander an Rechteck-Schmalseiten des Trennteils (14 ,16 ) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass den ersten Wendebereichen entgegengesetzte zweite Wendebereiche der Mäander der jeweiligen Gruppen (44a –44f ;44g –44l ) in der Rechteck-Längsmitte des Trennteils (14 ,16 ) aneinander grenzen. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei das Trennteil (
14 ,16 ) derart angeordnet ist, daß die Rechteck-Schmalseite des Trennteils (14 ,16 ) in Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist, wenn der Brennstoffzellenstapel an einem Automobil mitgeführt wird. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluideinlässe (
40b ,56a ,36a ,52a ,38a ,54a ) und die Fluidauslässe (40b ,56b ,36b ,52b ,38b ,54b ) für ein Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit (12 ), für ein Brennstoffgas und für ein Sauerstoff-enthaltendes Gas dienen und jeweils an beiden Endrandabschnitten an der Rechteck-Schmalseite des Trennteils (14 ,16 ) vorgesehen sind. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei sich die gemeinsame Flußpassagen-Querschnittsfläche der Fluidpassagen (
42 ,58 ) an einem Trennteil (14 ,16 ) vom Fluideinlaß (36a ,52a ,38a ,54a ) zum Fluidauslaß (36b ,52b ,38b ,54b ) verengt. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, wobei eine Anzahl der Fluidpassagen (
42 ,58 ) zum Fluidauslass (36b ,52b ,38b ,54b ) hin abnimmt. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Fluidpassage (
42 ,58 ) ausgebildet ist, um den Durchgang von der Anodenelektrode (20 ) zuzuführendem Brennstoffgas und/oder von der Kathodenelektrode (22 ) zuzuführendem sauerstoffhaltigem Gas zu ermöglichen; wobei Fluideinlässe (40b ,56a ,36a ,52a ,38a ,54a ) und Fluidauslässe (40b ,56b ,36b ,52b ,38b ,54b ) für ein Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit (12 ), für das Brennstoffgas und für das sauerstoffhaltiges Gas jeweils an entgegengesetzten Rechteck-Schmalseiten des Trennteils (14 ,16 ) vorgesehen sind.
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