DE10195996B4 - Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betrieb dieses Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betrieb dieses Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Abstract

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit:
mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen (3); wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei:
jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode (2a) einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten;
wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel und genauer gesagt einen Brennstoffzellenstapel-Aufbau zum gleichmäßigen Verteilen eines gemischten Fluids aus Brennstoffgas und Wasser an jede Brennstoffzelleneinheit in einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer latenten Wärmekühlung mit der Zuführung von Brennstoffgas und Wasser. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellenstapels.
  • Stand der Technik
  • Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist allgemein eine Art von Brennstoffzelle, die Ionenaustauschmembranen als Elektrolyte verwendet. Sie hat einen kompakten Aufbau mit einer hohen Energiedichte und kann mit einem einfachen System betrieben werden. Daher ist sie für tragbare elektrische Energiequellen oder solche in Raumschiffen sowie für eine feste verteilte elektrische Energiequelle bekannt. Bei einer herkömmlichen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle hat eine Brennstoffzelleneinheit 7 eine Membranelektrodenanordnung 3 mit einer Ionenaustauschmembran 1 und Gasdiffusionselektroden 2a und 2b auf beiden Seiten, Reaktantgas-Zuführseparatoren zum Zuführen von Brennstoffgas und Oxidationsgas zu den Gasdiffusionselektroden 2a bzw. 2b sowie Dichtungen 6, die im Stirnbereich der Separatoren 5 angeordnet sind, wie in 1 dargestellt, welche eine Explosionsansicht im Querschnitt ist. Die Brennstoffzelle ist in einem Brennstoffzellenstapel 10 aus mehreren Brennstoffzelleneinheiten 7 ausgebildet, die laminiert sind, wie in 2 dargestellt, welche eine Querschnittsansicht ist.
  • Die Ionenaustauschmembran 1 ist typischerweise eine Protonenaustauschmembran von Per-Fluorkohlenwasserstoff-Sulfonsäure. Die Gasdiffusionselektroden 2a und 2b sind typischerweise poröse Kohlenstoffplatten mit Katalysatorschichten, wie beispielsweise Platinschichten. Eine der Gasdiffusionselektroden, eine Brennstoffelektrode (Anode) 2a, wird mit Brennstoffgas, wie beispielsweise Wasserstoff, versorgt, und die andere Elektrode, eine Oxidationselektrode (Kathode) 2b, wird mit Oxidationsgas, wie beispielsweise Luft, versorgt. Wenn die Brennstoffelektrode 2a mit Brennstoffgas, welches Wasserstoff als Hauptbestandteil beinhaltet, versorgt wird und die Oxidationselektrode 2b mit Oxidationsgas, wie beispielsweise Luft, geschieht eine elektrochemische Reaktion bei dem Elektrodenpaar 2a und 2b der Membranelektrodenanordnung 3, wie in den Gleichungen 1 und 2 dargestellt, und eine elektromotorische Kraft von ungefähr 1 V wird erzeugt:
    • Bei der Brennstoffelektrode: 2 H2 → 4 H+ + 4 e– (Gleichung 1)
    • Bei der Oxidationselektrode: O2 + 4 H+ + 4 e– → H2O (Gleichung 2)
  • Bei der Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode 2a wird der zugeführte Wasserstoff in Wasserstoffionen und Elektronen aufgespalten, wie in Gleichung 1 dargestellt. Die Wasserstoffionen bewegen sich zu der Oxidationselektrode 2b durch die Ionenaustauschmembran 1, während die Elektroden sich durch einen äußeren Schaltkreis zu der Oxidationselektrode 2b bewegen. Gleichzeitig reagiert bei der Katalysatorschicht der Oxidationselektrode 2b der Wasserstoff in dem zugeführten Oxidationsgas mit den Wasserstoffionen und den Elektronen, die oben beschrieben worden sind, und Wasser wird erzeugt, wie in Gleichung 2 dargestellt. Dann erzeugen die Elektronen, die durch den externen Schaltkreis fließen, einen elektrischen Strom, und eine elektrische Energie kann zugeführt werden. Das in der in Gleichung 1 und 2 dargestellten Reaktion erzeugte Wasser wird mit dem Gas, welches in der Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist (oder Reaktionsgas), zusammen abgelassen.
  • Die Ionenaustauschmembran 1 hat auch die Funktion, zu verhindern, dass sich die Reaktantgase, welche der Brennstoffelektrode 2a und der Oxidationselektrode 2b zugeführt werden, miteinander mischen, so dass der Bereich der Ionenaustauschmembran 1 typischerweise größer ist als die der Elektroden 2a und 2b. Als Stutzen bezeichnete Durchgangsöffnungen 8a und 8b sind in den Membranelektrodenanordnungen 3 und den Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 so ausgebildet, dass das Reaktantgas in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten 7 strömen kann. Die Buchstaben "8a" bezeichnen den Reaktantgas-Zuführstutzen zum Zuführen des Reaktantgases zu jeder der Brennstoffzelleneinheiten, während die Buchstaben "8b" den Reaktantgasauslassstutzen zum Auslassen des reagierten Gases aus jeder der Brennstoffzelleneinheiten bezeichnen.
  • Um elektrischen Strom aus den Membranelektrodenanordnungen 3 zu extrahieren, müssen die Reaktantgase oder das Brennstoffgas und das Oxidationsgas zu der Elektrode 2a bzw. 2b geführt werden. Gleichzeitig müssen Elemente zum Sammeln elektrischer Ladung angrenzend an die Elektroden 2a und 2b vorgesehen sein. Daher haben die Reaktantgas-Zuführseparatoren 5, die angrenzend an die Membranelektrodenanordnungen 3 angeordnet sind, die Funktion, die Reaktantgase zu den Elektroden 2a und 2b zu führen, und sie haben auch die Funktion, elektrische Ladung zu sammeln.
  • Zum Zuführen von Reaktantgasen zu den Elektroden 2a und 2b sind Brennstoffgaszuführnuten 9a in der Oberfläche des Reaktantgas-Zuführseparators 5 ausgebildet, die zur Brennstoffelektrode 2a hinweist, und Oxidantgaszuführnuten 9b sind in der Oberfläche des Reaktantgas-Zuführseparators 5 ausgebildet, die zu der Oxidationselektrode 2b hinweist. Der Reaktantgas-Zuführstutzen 8a ist mit einem Ende jeder der Zuführnuten 9a und 9b verbunden, und der Reaktantgasauslassstutzen 8b ist mit dem anderen Ende jeder der Zuführnuten 9a und 9b verbunden.
  • Wenn elektrische Energie in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wird, wird Reaktionshitze in jeder der Brennstoffzelleneinheiten 7 in der Reaktion der Gleichungen 1 und 2 erzeugt. Da die Menge der in dem Brennstoffzellenstapel 10 mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten 7 erzeugten Hitze groß ist, sind Kühlmittel notwendig für einen stabilen und kontinuierlichen Energieerzeugungsbetrieb. Der herkömmliche Brennstoffzellenstapel 10 wird mit Kühlmittel, wie beispielsweise reinem Wasser oder Antifrostflüssigkeit, gekühlt, die durch Kühlplatten hindurchströmt, welche zwischen den Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sind.
  • In den letzten Jahren ist das sogenannte latente Wärmekühlen erforscht worden, wobei die Brennstoffzelleneinheiten 7 gekühlt werden durch Führen eines gemischten Fluids aus Brennstoffgas und Wasser in den Brennstoffgaszuführnuten 9a an dem Reaktantgas-Zuführseparator 5 und durch Verdampfen von Wasser. Das zu verdampfende Wasser beinhaltet das Wasser, welches von den Brennstoffelektroden 2a zu den Oxidationselektroden 2b durch die Ionenaustauschmembran 1 bewegt worden ist, sowie das Wasser, welches in der Zellenreaktion in den Oxidationselektroden 2b erzeugt worden ist. Bei dem Brennstoffzellenstapel 10 mit latenter Wärmekühlung wird elektrische Energie erzeugt durch Zuführen eines gemischten Fluids aus Brennstoffgas und Wasser zu den Brennstoffelektroden 2a, und von Luft mit ungesättigtem Dampf zu den Oxidationselektroden 2b, wobei die Menge des Wassers in dem Brennstoffgas mehr ist als die Menge des Wassers, welches an den Oxidationselektroden 2b verdampft wird.
  • An den Oxidationselektroden 2b verdampft nicht nur das durch die elektrische Energieerzeugung erzeugte Wasser, sondern auch das Wasser, welches von den Brennstoffelektroden 2a durch die Hochpolymermembran 1 zu den Oxidationselektroden 2b bewegt wird. Das bei der Oxidationselektrode 2b verdampfende Wasser kann eine große Menge latenter Wärme absorbieren, und die Brennstoffzelleneinheiten 7 können gekühlt werden. Durch die latente Wärmekühlung können die Kühlplatten in dem Brennstoffzellenstapel 10 eliminiert werden, und eine große Menge an Kühlwasserzirkulation wird nicht benötigt. Daher können der Brennstoffzellenstapel 10 selbst und das den Stapel 10 verwendende Energieerzeugungssystem kompakt und leichtgewichtig ausgestaltet werden, während eine Kühlung des Stapels dennoch sichergestellt ist.
  • Bei dem Brennstoffzellenstapel 10 mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten 7 ist es wichtig, dass die Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 Reaktantgase gleichmäßig zu jeder der Elektroden 2a und 2b zuführen. Eine gleichmäßige Verteilung von Brennstoffgas und Wasser ist insbesondere wichtig bei dem Brennstoffzellenstapel 10, der latente Wärmekühlung verwendet, weil die Brennstoffgaszuführnuten 9a an dem Reaktantgas-Zuführseparator 5 gemischtes Fluid aus Brennstoffgas und Wasser zu der Brennstoffelektrode 2a zuführen müssen. Wenn die Brennstoffgas- und Wasserverteilung zu den Brennstoffelektroden 2a ungleichmäßig wird, kann sich die Zellenleistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 7 inklusive der Brennstoffelektrode 2a verschlechtern.
  • Insbesondere wenn es Brennstoffzelleneinheiten 7 gibt, die nicht mit ausreichend Brennstoffgas versorgt werden aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung des Brennstoffgases, verschlechtert sich die Zellenleistungsfähigkeit, und selbst eine elektrolytische Kollision kann an den Brennstoffelektroden 2a auftreten, und eventuell ist eine Energieerzeugung nicht mehr möglich. Wenn es Brennstoffzelleneinheiten 7 gibt, welche nicht mit ausreichend Wasser versorgt werden aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung von Wasser, kann sich die Fähigkeit zur latenten Wärmekühlung verschlechtern, und die Brennstoffzelleneinheiten 7 werden eventuell unzureichend gekühlt, und dann steigt ihre Temperatur an. Als Ergebnis kann sich die Zellenleistungsfähigkeit verschlechtern, und die Energieerzeugung wird eventuell nicht mehr fortgeführt.
  • Eine ungleichmäßige Verteilung des Brennstoffgases und des Wassers hängt von den Verfahren zum Zuführen des Wassers zu dem Brennstoffgas ab. Im Stand der Technik sind einige Wasserzuführverfahren offenbart. Keines dieser Verfahren hat jedoch Gegenmaßnahmen für die Ungleichmäßigkeit der Verteilung zu den Brennstoffzelleneinheiten 7 des Brennstoffzellenstapels 10 offenbart. Beispielsweise wird gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung Hei 1–140562 Sprühwasser zu den Brennstoffelektroden durch einen Sprüh-Sprinkler mit einem Saugeffekt zugeführt. Das gesprühte Wasser würde sich jedoch zu Wassertropfen sammeln und zweiphasige Ströme formen. Daher wäre es schwierig, das gemischte Fluid des Brennstoffgases und Wassers in die Brennstoffzelleneinheiten zu verteilen. Es wäre insbesondere schwierig während eines elektrischen Hochlaststrombetriebs, wenn eine große Hitzemenge erzeugt wird.
  • Die japanische Patentschrift Hei 7–95447 offenbart ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels durch Verdampfen latenter Wärme, wobei poröse Platten an den Brennstoffelektroden angeordnet sind, Wasser von den Brennstoffelektroden zu der Ionenaustauschmembran geführt wird durch Pressen von Wasser in die Platten, und überschüssiges Wasser zu Brennstoffgas verdampft wird. Bei dieser Technik muss jedoch der Druckunterschied zwischen dem Brennstoffgas und dem zugeführten Wasser fein gesteuert werden. Daher ist es schwierig, die Menge des zugeführten Wassers anzupassen, und es ist schwierig, Wasser gleichmäßig zu den Brennstoffzelleneinheiten zu verteilen.
  • Die japanische Anmeldungs-Veröffentlichung Hei 5–41230 offenbart ein Verfahren, bei welchem Wasser zu den Ionenaustauschmembranen geleitet wird, indem das Wasser Rippen zugeleitet wird. Die Rippen sind an den Brennstoffelektroden (gerippten Elektroden) ausgeformt und haben Nuten, durch die Brennstoffgas hindurchtreten kann. Gemäß diesem Verfahren wird eine relativ gleichmäßige Wasserverteilung an die Brennstoffzelleneinheiten erzielt, weil eine Dochtwirkung des Wassers in die Luftporen in den gerippten Elektroden ausgenutzt wird. Wenn den Rippen jedoch eine ausreichende Wassermenge für die latente Abfuhr der Hitze, die in dem gesamten Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, zugeführt werden würde, wären die meisten der Luftporen in den gerippten Elektroden mit Wasser gefüllt. Das Brennstoffgas muss in den Katalysatorschichten der Brennstoffelektroden durch die Luftporen in den gerippten Elektroden diffundiert werden, und die Brennstoffgasverteilung wird behindert, wenn die Luftporen mit Wasser gefüllt sind, was als "Überflutungs"-Phänomen bezeichnet wird. Daher würde sich die Zellenspannung absenken. Wenn die Menge des zugeführten Wassers gesteigert wird, wird daher ein stabiler Betrieb des Brennstoffzellenstapels schwierig, und dann kann dieses Verfahren eventuell nicht auf die latente Wärmekühlung des Brennstoffzellenstapels angewandt werden.
  • Die japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Hei 7–220746 offenbart ein Verfahren zum Zuführen von Wasser zu dem Reaktantgas durch Versehen der Separatoren mit Reaktantgaszuführnuten, mit einem Kopfstück und mit einem Rohr zum Zuführen von Wasser, um Flüssigkeit hinzuzufügen. Gemäß diesem Verfahren wird eine relativ gleichmäßige Wasserverteilung in jedem der Separatoren erzielt, weil das Wasser direkt zu den Gaszuführnuten geführt wird. Diese Schrift offenbart jedoch nicht die Technik, wie Wasser in den Brennstoffzelleneinheiten in einem Brennstoffzellenstapel mit vielen Brennstoffzelleneinheiten gleichmäßig verteilt werden kann.
  • Außerdem ist eine hohe Positionsgenauigkeit erforderlich, um den Stutzen mit dem Kopfstück und dem Rohr zum Zuführen von Wasser, um Feuchtigkeit hinzuzufügen, zu versehen und um das Rohr mit den Reaktantgaszuführnuten zu verbinden. Daher führt dieses Verfahren zu hohen Produktionskosten. Außerdem würde, da der Brennstoffzellenstapel aufgebaut ist durch Stapeln vieler Membranelektrodenanordnungen, Reaktantgas-Zuführseparatoren, etc., eine inadäquate Genauigkeit beim Positionieren beim Stapeln die Reaktantgas- und Wasserverteilung nachteilig und stark beeinflussen. Daher ist eine hohe Positionsgenauigkeit beim Stapeln erforderlich, und die Arbeitskosten für das Stapeln sind hoch. Solch hohe Arbeitskosten sind ein allgemeines Problem bei allen Brennstoffzellenstapeln inklusive der oben diskutierten.
  • Außerdem wird gemäß dem oben diskutierten Verfahren, sogar wenn eine gleichmäßige Flussverteilung möglich ist, wenn Energie mit einem festen Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, die Wasserflussverteilung zu dem Brennstoffgas ungleichmäßig, wenn der Brennstoffzellenstapel kippt oder schwingt. Dann haben Brennstoffzelleneinheiten eventuell eine ungleichmäßige Verteilung in der Fähigkeit zur latenten Wärmekühlung, und die Zellenleistungsfähigkeit jeder Brennstoffzelleneinheit kann sich verschlechtern. Besonders wenn die Brennstoffzellen für Fahrzeuge verwendet werden, sind ein Kippen und Schwingen der Brennstoffzellenstapel unvermeidbar, und eine stabile Energieerzeugung wäre schwierig.
  • Wenn außerdem Blasen in das Wasser eintreten, welches dem Brennstoffgas zugeführt wird, würde die Wasserverteilung ungleichmäßig werden, und die Zellenleistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheiten würde sich verschlechtern. Daher ist es wichtig, Gas aus dem Wasser abzulassen, welches zu dem Brennstoffgas zugeführt werden soll. Daher ist eine Gasentlüftungseinrichtung unverzichtbar, und ein vereinfachtes System ist gefordert worden. Gasentlüftungseinrichtungen werden allgemein verwendet nicht nur für Brennstoffzellenstapel, und nach ihrer Verbesserung ist immer gefragt worden.
    •
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft Gegenmaßnahmen, um die Probleme der oben diskutierten Techniken zu lösen. Es ist das Ziel dieser Erfindung, einen Stapel von mehreren Brennstoffzelleneinheiten zur latenten Wärmekühlung zu schaffen, welcher Stapel eine gleichmäßige Verteilung eines Stroms eines gemischten Fluids aus Brennstoffgas und Wasser zu den Brennstoffzelleneinheiten bietet, die Zellenleistungsfähigkeit zu stabilisieren und einen kostengünstigen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit geringen Produktionskosten und geringer Stapelarbeit zu schaffen.
  • Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, einen verlässlichen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel zu schaffen, wobei das gemischte Fluid aus Brennstoffgas und Wasser gleichmäßig an die Brennstoffzelleneinheiten verteilt werden kann, sogar wenn der Brennstoffzellenstapel kippt oder schwingt.
  • Die vorliegende Erfindung erreicht die oben beschriebenen Ziele. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 1 geschaffen.
  • Bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Wasser von der gegenüberliegenden Seite durch die Verbindungsöffnungen zu den Gaseinführbereichen der Brennstoffgaszuführnuten geliefert, nachdem das Brennstoffgas an die Brennstoffgaszuführnuten verteilt worden ist. Daher werden das Brennstoffgas und das Wasser separat an die Brennstoffgaszuführnuten verteilt, und dann bilden sie zweiphasige Ströme nach der Stromverteilung. Daher kann der gemischte Strom aus Brennstoffgas und Wasser gleichmäßig verteilt werden, unabhängig von dem Mischungsverhältnis des Brennstoffgases und des Wassers, und die Durchflussgeschwindigkeit, welche unterschiedlich ist von dem Fall, in dem das Brennstoffgas und das Wasser in zweiphasigen Strömen auf die Brennstoffgaszuführnuten verteilt werden.
  • Wenn das Wasser durch die Verbindungsöffnungen hindurchtritt, nimmt außerdem der poröse Körper in dem Pufferabschnitt das Wasser von der Wasserzuführnut auf, und dann wird das Wasser zu den Verbindungsöffnungen geführt, nachdem das Wasser in der Richtung der flachen Oberfläche strömt. Daher kann ein Druckverlust in den Verbindungsöffnungen hoch gewählt werden, sogar wenn eine geringe Wassermenge zu den Brennstoffgaszuführnuten geliefert wird. Daher wird eine gleichmäßige Wasserverteilung an jede Brennstoffzelleneinheit erreicht. Die Wasserzuführnut hat eine Funktion des Senkens des Druckverlusts in der Richtung des Wasserstroms, um so gleichmäßig Wasser in Richtung der flachen Oberfläche des porösen Körpers zu verteilen.
  • Außerdem kann in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung Wasser immer gleichmäßig auf die Brennstoffgaszuführnuten verteilt werden, sogar wenn der Brennstoffzellenstapel kippt oder schwingt. Da die Wasserzuführmittel in den Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt sind, können außerdem die Wasserzuführmittel gleichzeitig ausgeformt werden, wenn die Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt werden. Daher können Produktionskosten gesenkt werden, weil das Wasserzuführmittel nicht separat montiert werden muss. Außerdem würden Unterschiede beim Positionieren der Membranelektrodenanordnungen und der Reaktantgas-Zuführseparatoren eine gleichmäßige Stromverteilung des Reaktantgases und des Wassers nicht stark beeinflussen. Daher ist die erforderliche Genauigkeit bei den Stapelpositionen erleichtert, und Arbeitskosten für das Stapeln können spürbar reduziert werden.
  • Der poröse Körper weist jeweils hydrophiles Material auf.
  • Daher kann zusätzlich Gas in den porösen Körpern leicht durch Wasser ersetzt werden durch Verwenden der porösen Körper aus hydrophilem Material. Dann strömt das Wasser in den porösen Körpern gleichmäßig unmittelbar nachdem das Wasser zugeführt worden ist, sogar ohne einen Gasentlüftungsbetrieb für das Entlüften von verbleibendem Gas, welches eine gleichmäßige Stromverteilung behindern könnte. Daher kann Wasser gleichmäßig von den Verbindungsöffnungen auf die Brennstoffgaszuführnuten verteilt werden, unmittelbar nach dem Start der Wasserversorgung.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 2 geschaffen, wobei die Pufferabschnitte jeweils einen wasserundurchlässigen Deckel in Kontakt mit dem porösen Körper haben.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Außerdem kann aufgrund der wasserundurchlässigen Deckel verhindert werden, dass das Wasser, dass zu den Wasserzuführnuten und den Pufferabschnitten zugeführt worden ist, herausläuft, und die porösen Körper können an den Pufferabschnitten gehalten werden. Daher kann das Wasser gleichmäßig von den Verbindungsöffnungen auf die Brennstoffgaszuführnuten verteilt werden, sogar wenn der Brennstoffzellenstapel schwingt.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen, wobei der wasserundurchlässige Deckel eine Platte mit einer solchen Festigkeit aufweist, dass der Deckel im Wesentlichen keine Biegung bei der Wasserzuführnut erfährt und bei dem Pufferabschnitt, wenn der Brennstoffzellenstapel befestigt wird, und eine elastische Lage, welche sich in der Kompression deformiert, auf der entgegengesetzten Seite einer Seite angeordnet ist, die den porösen Körper jedes Deckels kontaktiert.
  • Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem würden sich die wasserundurchlässigen Deckel aufgrund ihrer Steifigkeit nicht verbiegen, sogar wenn der Brennstoffzellenstapel befestigt ist, und die Räume in den Wasserzuführnuten oder den Pufferabschnitten würden nicht zusammengedrückt, was eine gleichmäßige Verteilung des Wassers behindern würde. Dabei werden, sogar wenn große Befestigungskräfte auf die festen wasserundurchlässigen Deckel aufgebracht werden, diese Kräfte durch die Kompression der elastischen Bleche absorbiert. Ein Zerbrechen der Reaktantgas-Zuführseparatoren aufgrund der Deckel wird daher verhindern.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen, wobei der wasserundurchlässige Deckel und die elastische Lage zuvor miteinander verklebt worden sind.
  • In dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem wird eine Relativbewegung zwischen den wasserundurchlässigen Deckeln und den elastischen Blechen verhindert, weil diese zuvor miteinander verklebt sind. Die Effizienz beim Stapeln wird verbessert, und die Arbeitskosten für das Stapeln können reduziert werden.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen, wobei die Membranelektrodenanordnungen und die Reaktantgas-Zuführseparatoren im Wesentlichen aufrecht angeordnet sind;
    wobei mehrere Verbindungsöffnungen in dem Reaktantgas-Zuführseparator ausgeformt sind, und wobei die Verbindungsöffnungen im Wesentlichen auf der gleichen Höhe positioniert sind.
  • In dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem können Druckverlustunterschiede aufgrund von Höhenunterschieden in den Verbindungsöffnungen reduziert werden, weil die Verbindungsöffnungen horizontal auf im Wesentlichen der gleichen Höhe angeordnet sind, wenn die Reaktantgas-Zuführseparatoren aufrecht angeordnet sind. Unterschiede im Volumen des durch die Verbindungsöffnungen hindurchtretenden Wassers werden daher reduziert, und eine gleichmäßige Wasserverteilung auf die Brennstoffgaszuführnuten kann erzielt werden.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 6 geschaffen, wobei die Membranelektrodenanordnungen und die Reaktantgas-Zuführseparatoren im Wesentlichen aufrecht angeordnet sind; und wobei die Verbindungsöffnungen höher angeordnet sind als die Wasserzuführnuten, so dass das Brennstoffgas im Wesentlichen abwärts durch die Brennstoffgaszuführnuten fließen kann, begleitet von Wasser, welches durch die Verbindungsöffnungen hindurchgetreten ist.
  • In dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem kann das Brennstoffgas mit dem Wasser sanft nach unten strömen in den Brennstoffgaszuführnuten unter Einfluss der Schwerkraft.
  • Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen, wobei jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren einen Wasserzuführstutzen hat, der unterhalb des Pufferabschnitts positioniert ist.
  • In dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des sechsten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Wenn Wasser von dem Wasserstutzen zu den Wasserzuführnuten geführt wird und dann zu den Pufferabschnitten, wird außerdem der Wasserzuführstutzen, der weiter unten angeordnet ist, zuerst mit Wasser gefüllt, und dann werden die Wasserzuführnuten und die Pufferabschnitte der Reihe nach mit Wasser gefüllt, da der Wasserzuführstutzen unterhalb der Pufferabschnitte positioniert ist. Daher können ganze Wasserstromkanäle von dem Wasserzuführstutzen zu den Verbindungsöffnungen vollständig mit Wasser gefüllt werden. Dann können die Bläschen, welche eine gleichmäßige Verteilung des Wassers behindern könnten, vollständig von den Wasserkanälen eliminiert werden. Als Ergebnis ist ein Betrieb des Gasentlüftens von den Wasserkanälen nicht notwendig, und der Betrieb des Verteilens von Wasser gleichmäßig auf die Brennstoffgaszuführnuten wird einfach. Außerdem kann der Wasserzuführdruck verbessert werden durch die Höhenunterschiede zwischen dem Wasserzuführstutzen und den Pufferabschnitten, und die Wasserverteilung auf die Brennstoffgaszuführnuten ist verbessert.
  • Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 8 geschaffen, wobei mehrere Brennstoffgaszuführnuten ausgebildet sind; wobei Brennstoffgaseinführbereiche des Brennstoffgases in den Brennstoffgaszuführnuten mehrere Führungsnuten zum Führen von Wasser haben, welches durch die Verbindungsöffnungen zu den Brennstoffgaszuführnuten hindurchgetreten ist; und wobei die Führungsnuten und die Brennstoffgaszuführnuten nicht miteinander ausgerichtet sind.
  • In dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Da die Führungsnuten und die Brennstoffgaszuführnuten nicht zusammen ausgerichtet sind, trifft das durch eine Führungsnut geführte Wasser außerdem auf eine Kante auf, welche die Brennstoffgaszuführnuten formt, und es wird dann zu den Nuten auf beiden Seiten der Kante abgezweigt. Wasser von einer der Verbindungsöffnungen fließt daher durch eine Führungsnut und wird in zwei aneinandergrenzende Brennstoffgaszuführnuten verzweigt. Daher wird, sogar wenn Wasserzufuhr von einer der Verbindungsöffnungen blockiert ist, die fehlende Wasserzufuhr zu der Brennstoffgaszuführnut stromabwärts der blockierten Verbindungsöffnung kompensiert durch das durch die angrenzenden Verbindungsöffnungen zugeführte Wasser. Dann wird eine stabilere elektrische Energie erzeugt.
  • Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 9 geschaffen, wobei eine Gasentlüftungsöffnung auf einer höheren Ebene angeordnet ist als der Pufferabschnitt und mit dem Pufferabschnitt verbunden ist; und wobei der Stapel Bohrungsöffnungs- und Schließmittel zum selektiven Entlüften der Gasentlüftungsöffnung zur Atmosphäre und Blockieren der Gasentlüftungsöffnung aufweist.
  • In dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem kann in den Pufferabschnitten verbleibendes Gas entlüftet werden durch Öffnen der Gasentlüftungsöffnung mit dem Bohrungsöffnungs- und Schließmittel beim Beginn der Wasserzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel. Typischerweise stoppt die Wasserzufuhr, wenn die elektrische Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels anhält. Dabei wird das Wasser, welches unterhalb der Verbindungsöffnungen verbleibt, dort gehalten, aber das Wasser, welches oberhalb der Verbindungsöffnungen verbleibt, wird durch die Verbindungsöffnungen zu den Brennstoffgaszuführnuten abgelassen. Außerdem werden, da das in den Pufferabschnitten verbleibende Gas durch die Gasentlüftungsbohrung entlüftet wird, Gasbläschen, welche oberhalb der Verbindungsöffnungen existieren können, sicher in kurzer Zeit entlüftet, und Wasser wird verlässlicher gleichmäßig verteilt.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen, wobei das Bohrungsöffnungs- und Schließmittel ein Gasentlüftungsventil aufweist, das Folgendes beinhaltet: ein Rohr, einen Schwimmer in dem Rohr, wobei der Schwimmer ein spezifisches Gewicht hat, das kleiner ist als das spezifische Gewicht der zu entlüftenden Flüssigkeit, und eine Öffnung, die oberhalb des Schwimmers in dem Rohr angeordnet ist, so dass die Öffnung geschlossen werden kann, wenn der Schwimmer die Öffnung direkt oder indirekt kontaktiert.
  • In dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des neunten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem wird, wenn die zu dem Behälter oder einer Rohrleitung zugeführte Flüssigkeit ansteigt und Flüssigkeit in der Leitung des Gasentlüftungsventils ansteigt, das in der Flüssigkeit enthaltene Gas durch die Öffnung des Gasentlüftungsventils abgelassen. Dabei bewegt sich der Schwimmer, welcher ein geringeres spezifisches Gewicht hat als die Flüssigkeit, in der Rohrleitung nach oben, und dann schließt der Schwimmer die Öffnung durch Kontaktieren der Öffnung, indirekt oder direkt. Daher können nur Bläschen automatisch von dem Behälter oder der Rohrleitung eliminiert werden, ohne dass befürchtet werden müsste, dass ein Flüssigkeitsüberfluss an der Öffnung auftritt.
  • Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 11 geschaffen, wobei eine Gasentlüftungsöffnung auf einer höheren Ebene angeordnet ist als der Pufferabschnitt und mit dem Pufferabschnitt verbunden ist; und wobei der Stapel ein Druckverlustelement hat, welches so gesetzt werden kann, dass Druck in der Gasentlüftungsöffnung während des Betriebs des Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels höher sein kann als der Zuführdruck des Brennstoffgases.
  • In dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Außerdem wird verhindert, dass eine in dem Wasser gelöste Gaskomponente aufgrund des Temperaturanstiegs in dem Wasser gasifiziert wird, das dem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs der Brennstoffzelle zugeführt wird, und dass das so erzeugte Gas in den Pufferabschnitten etc. verbleibt und die Wasserverteilung nachteilig beeinflusst. Außerdem kann verhindert werden, dass das Brennstoffgas durch die Gasentlüftungsöffnung nutzlos abgelassen wird.
  • Gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel geschaffen, der die Merkmale des Anspruchs 12 aufweist: mehrere Membranelektrodenanordnungen mit jeweils einer Gasdiffusionselektrode auf jeder Seite einer Ionenaustauschmembran; mehrere Reaktantgas-Zuführseparatoren, die jeweils Brennstoffgaszuführnuten auf einer Seite und Oxidantgaszuführnuten auf der anderen Seite aufweisen zum Zuführen von Brennstoffgas bzw. Oxidantgas zu den Gasdiffusionselektroden, wobei jeder der Separatoren zwischen zweien der mehreren Membranelektroden angeordnet ist; und Wasserzuführmittel zum Zuführen von Wasser zu dem Brennstoffgas, wobei: die Wasserzuführmittel in den Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt sind; die Wasserzuführmittel jeweils Folgendes aufweisen: eine Wasserzuführnut und einen Pufferabschnitt, beide ausgeformt auf der gegenüberliegenden Seite der Brennstoffgaszuführnuten; Verbindungsöffnungen, welche durch den Reaktantgas-Zuführseparator hindurchtreten und den Pufferabschnitt und einen Brennstoffgaseinführbereich der Brennstoffgaszuführnuten verbinden; und einen porösen Körper in Form einer Platte oder Schicht, welcher zumindest einen Teil des Pufferabschnitts ausfüllt; wobei Wasser von der Wasserzuführnut durch den Pufferabschnitt zugeführt wird und durch den porösen Körper in Richtung der ebenen Oberfläche geführt wird, und dann durch die Verbindungsöffnungen zu den Brennstoffgaszuführnuten.
  • In dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung können Vorteile ähnlich denen des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
  • Gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Anspruchs 13 geschaffen.
  • In dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung können Vorteile ähnlich denen des zwölften Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
  • Gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Anspruchs 14 geschaffen.
  • In dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung können Vorteile des dreizehnten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
  • Zusätzlich wird verhindert, dass das von dem Wasser während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugte Gas in den Pufferabschnitten gesammelt wird und die Wasserstromverteilung nachteilig beeinträchtigt. Außerdem kann verhindert werden, dass das Brennstoffgas nutzlos durch die Gasentlüftungsöffnung abgelassen wird.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Explosionsansicht im Querschnitt einer Brennstoffzelleneinheit.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels mit mehreren gestapelten Brennstoffzelleneinheiten.
  • 3 ist eine Ansicht eines Reaktantgas-Zuführseparators eines festen Hochpolymerbrennstoffstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gesehen von der Seite der Oxidantgaszuführoberfläche her.
  • 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Wasserzuführmittel in 3.
  • 5 ist eine Ansicht des Reaktantgas-Zuführseparators in 3, gesehen von der Seite der Brennstoffgaszuführoberfläche her.
  • 6 ist eine vergrößerte Ansicht der Wasserzuführmittel in 5.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in den 4 und 6.
  • 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit den in 3 gezeigten Reaktantgas-Zuführseparatoren.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen Mittels gemäß einer dritten Ausführungsform, zum Austausch mit den wasserzuführmitteln in 7.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht eines anderen alternativen Mittels gemäß einer vierten Ausführungsform, als Austausch für die Wasserzuführmittel in 7.
  • 11 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils von alternativen Mitteln gemäß einer fünften Ausführungsform als Austausch für Brennstoffgaseinführmittel in 6.
  • 12 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils eines Reaktantgas-Zuführseparators gemäß einer sechsten Ausführungsform in 6.
  • 13 ist eine Ansicht des Reaktantgas-Zuführseparators in 12, gesehen von der Seite der Oxidantgaszuführoberfläche her.
  • 14 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung, der die in 12 und 13 gezeigten Reaktantgas-Zuführseparatoren verwendet.
  • 15 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform als Austausch für die Ausführungsform in 14.
  • 16 ist eine detaillierte Ansicht des in 15 dargestellten Gasentlüftungsventils, wobei 16(A) eine Draufsicht ist und 16(B) eine Querschnittsansicht in Gasentlüftungsrichtung.
  • 17 ist eine Querschnittsansicht des in 16 gezeigten Gasentlüftungsventils in einem wasserabdichtenden Zustand.
  • 18 ist eine Ansicht eines alternativen Gasentlüftungsventils als Austausch für das Gasentlüftungsventil in 15, wobei 18(A) eine Draufsicht und 18(B) eine Querschnittsansicht in einem Gasentlüftungszustand ist.
  • 19 ist eine Querschnittsansicht des in 18(A) und 18(B) gezeigten Gasentlüftungsventils in einem wasserabdichtenden Zustand.
  • Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
  • Nun werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, wobei Teile, die Teilen des Standes der Technik in den 1 und 2 gleichen oder ähnlich sind, mit gleichen Ziffern bezeichnet sind.
  • [Erste Ausführungsform]
  • 3 zeigt die Oxidantgaszuführoberfläche eines Reaktantgas-Zuführseparators 5 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Reaktantgas-Zuführseparator 5 ist ausgebildet durch Formen von Kohlenstoffmaterial zu einer Platte. Oxidantgaszuführnuten 9b sind ausgebildet, damit Oxidantgas dort hindurchtreten kann, im mittleren Teil des Reaktantgas-Zuführseparators 5. Der Reaktantgas-Zuführseparator 5 ist vertikal aufgerichtet, wenn elektrische Energie mittels des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird.
  • Im oberen Randbereich des Reaktantgas-Zuführseparators 5 befinden sich ein Brennstoffgaszuführstutzen 11a und ein Oxidantgaszuführstutzen 12a, und im unteren Randbereich des Reaktantgas-Zuführseparators 5 befinden sich ein Brennstoffgasauslassstutzen 11a und ein Oxidantgasauslassstutzen 12b. Außerdem befindet sich im linken Randbereich des Reaktantgas-Zuführseparators 5 ein Wasserzuführstutzen 14, wie in 3 dargestellt.
  • Das zu dem Oxidationszuführstutzen 12a zugeführte Oxidantgas fließt in die Oxidantgaszuführnuten 9b durch die Oxidantgaseinlässe 50, und es fließt dann im Wesentlichen abwärts entlang der Nuten. Das Oxidantgas wird durch die Oxidantgasauslässe 51 und den Oxidantgasauslassstutzen 12b ausgelassen. Andererseits strömt das zu dem Brennstoffgaszuführstutzen 11a zugeführte Brennstoffgas von den Brennstoffgaseinlässen 52 in 5 und 6, welche auf der entgegengesetzten Seite der Oxidantgaszuführoberfläche ausgeformt sind, zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a. Dann fließt das Brennstoffgas im Wesentlichen abwärts entlang der Nuten. Dann wird das Brennstoffgas durch die Brennstoffgasauslässe 53 und den Brennstoffgasauslassstutzen 11b ausgelassen.
  • Der Reaktantgas-Zuführseparator 5 hat auch Wasserzuführmittel 13 zum Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a. Die erste Ausführungsform ist gekennzeichnet durch den Aufbau der Wasserzuführmittel 13. 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Wasserzuführmittel 13. Das Wasserzuführmittel 13 beinhaltet den Wasserzuführstutzen 14, eine Wasserzuführnut 15, einen Pufferabschnitt 17, zehn Verbindungsöffnungen 16 und einen porösen Körper 20, der zu einer Platte oder einem Blech geformt ist. Wie durch gepunktete Pfeile in 4 dargestellt, führt das Wasserzuführmittel 13 Wasser von dem Wasserzuführstutzen 14 zu dem Pufferabschnitt 17 durch die Wasserzuführnut 15, und dann führt es Wasser durch den porösen Körper 20 (siehe 7) in Richtung der flachen Oberfläche. Dann führt das Wasserzuführmittel 13 Wasser durch die Verbindungsöffnungen 16 zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a (siehe 5), welche sich auf der anderen Seite der Oxidantgaszuführoberflächen befinden.
  • Die Wasserzuführnut 15 ist serpentinenförmig ausgestaltet und im linken Randbereich angeordnet und erstreckt sich bis zum oberen Randbereich durch den Eckbereich hindurch. Der Pufferabschnitt 17 erstreckt sich breit von den Enden der Wasserzuführnuten in Richtung des Brennstoffgaszuführstutzens 11a. Der Pufferabschnitt befindet sich an einer höheren Position als der Wasserzuführstutzen 14, wenn der Reaktantgas-Zuführseparator 5 vertikal angeordnet ist. Anschläge 17a sind an beiden Enden des Pufferabschnitts 17 angeordnet, um den Pufferabschnitt 17 an einer bestimmten Position in dem Reaktantgas-Zuführseparator 5 zu fixieren.
  • Zehn Verbindungsöffnungen 16 sind in einer geraden Linie angeordnet und durchdringen den Reaktantgas-Zuführseparator 5, um den Pufferabschnitt 17 und die Brennstoffgaszuführnuten 9a miteinander zu verbinden (siehe 5). Der poröse Körper 20 (siehe 7) ist in den Pufferabschnitt 17 eingeführt, um alle Verbindungsöffnungen 16 abzudecken. Die Gestalt des Pufferabschnitts 17 ist nicht durch die hier gezeigte Gestalt beschränkt, sondern kann jede Gestalt sein, wenn der poröse Körper 20 darin fixiert werden kann. Die Dichtung 6 ist zwischen den Oxidantgaszuführnuten 9b und dem Wasserzuführmittel 13 angeordnet, um zu verhindern, dass sich Oxidantgas und Wasser an dem Reaktantgas-Zuführseparator 5 mischen.
  • Nun wird die Brennstoffgaszuführoberfläche des Reaktantgas-Zuführseparators 5 mit Bezug auf 5 erläutert. Die Brennstoffgaszuführnuten 9a sind ausgebildet, damit Brennstoffgas durch sie hindurch im mittleren Teil des Reaktantgas-Zuführseparators 5 strömen kann. 5 zeigt die gegenüberliegende Seite des in 3 gezeigten Reaktantgas-Zuführseparators 5. Daher befinden sich die Stutzen 11a und 11b für Brennstoffgas, die Stutzen 12a und 12b für Oxidantgas und der Wasserzuführstutzen 14 in den Randbereichen auf entgegengesetzten Seiten, wenn die 3 und 5 verglichen werden.
  • 6 ist eine vergrößerte Ansicht des Brennstoffgaseinführbereichs 18. Die zehn Verbindungsöffnungen 16 sind am Grund der Brennstoffgaszuführnuten 9a im Brennstoffgaseinführbereich 18 ausgebildet, und sie sind mit dem Pufferabschnitt 17 verbunden (siehe 4). Da der Reaktantgas-Zuführseparator 5 aufrecht angeordnet ist, wenn der Brennstoffstapel 10 dieser Ausführungsform elektrische Energie erzeugt, wie oben beschrieben, sind alle Verbindungsöffnungen 16 in einem gleichen Aufriss angeordnet. Das von dem Brennstoffgaszuführstutzen 11a abgezweigte Brennstoffgas und das von dem Wasserstutzen 14 abgezweigte Wasser werden in dem Brennstoffgaseinführbereich 18 zusammengemischt und fließen dann durch die Brennstoffgaszuführnuten 9a als zweiphasige Ströme.
  • In dieser Ausführungsform ist eine Verbindungsöffnung 16 in jeder zweiten Nut ausgebildet für eine gleichmäßige Wasserzufuhr zu den Brennstoffgaszuführnuten. Die Anzahl und die Positionen der Verbindungsöffnungen 16 sind jedoch nicht begrenzt, und eine Verbindungsöffnung 16 kann auch in jeder Nut ausgeformt sein für eine gleichmäßige Wasserzufuhr zu den Brennstoffgaszuführnuten.
  • Der Mechanismus des Wasserzuführmittels 13 wird nun genauer mit Bezug auf 7 erläutert, welche eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 4 und 6 ist. Der Pufferabschnitt 17 ist mit einem porösen Körper 20 ausgefüllt. Der poröse Körper 20 besteht aus porösem Kohlenstoff mit einer Porosität von 60%. Die Ziffern 19a und 19b sind ein Brennstoffelektrodensubstrat bzw. ein Oxidationselektrodensubstrat, beides sind Elektroden der Membranelektrodenanordnung 3. In dieser Ausführungsform erstreckt sich ein Teil des Oxidationselektrodensubstrats 19b und der Ionenaustauschmembran 1 aufwärts, um die Wasserzuführnuten 15 und den Pufferabschnitt 17 zu bedecken. Die Porosität in dem sich erstreckenden Bereich 60 des Oxidationselektrodensubstrats 19b ist reduziert, um den Dichtungseffekt zu verbessern. Das durch die Wasserzuführnuten 15 strömende Wasser wird dem Pufferabschnitt 17 zugeführt, wie durch gepunktete Pfeile dargestellt. Dann strömt das Wasser durch den porösen Körper 20 in dem Pufferabschnitt 17 in Richtung der flachen Oberfläche, und dann wird das Wasser den Brennstoffgaszuführnuten 9a auf der gegenüberliegenden Seite durch die Verbindungsöffnungen 16 zugeführt.
  • 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht des festen Hochpolymerbrennstoffstapels mit den Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 und den Membranelektrodenanordnungen 3, die oben beschrieben sind. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist ausgebildet mittels der Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 und den Membranelektrodenanordnungen 3, welche abwechselnd gestapelt sind, und mittels Befestigungsendplatten 21 an den Enden. Die Befestigungsendplatten 21 haben Zuführ- und Ablassöffnungen 22 zum Zuführen und Ablassen des Reaktantgases oder des Wassers. Der Befestigungsmechanismus der Befestigungsendplatten 21 ist in den Figuren nicht dargestellt. Ein typischer Brennstoffzellenstapel hat fünfzig Membranelektrodenanordnungen, obwohl in 8 zwei Membranelektrodenanordnungen gestapelt sind.
  • Die Nuten 70 an den Reaktantgas-Zuführseparatoren 5, welche zu den Befestigungsplatten in dem Brennstoffzellenstapel hin weisen, werden nicht verwendet und können verdeckt werden.
  • Gemäß der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform können die Reaktantgaszuführnuten und das Wasserzuführmittel gleichzeitig ausgebildet werden, wenn Kohlenstoffmaterial zu dem Reaktantgas-Zuführseparator 5 geformt wird, da das Wasserzuführmittel 13 an dem Reaktantgas-Zuführseparator 5 vorgesehen ist. Daher braucht das Wasserzuführmittel nicht separat ausgebildet zu werden, und der Brennstoffzellenstapel 10 mit Wasserzuführmitteln kann ökonomisch mit ungefähr der Hälfte der Materialkosten, verglichen mit herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln, hergestellt werden. Außerdem ist eine besondere Qualitätskontrolle der Positionierung beim Stapelvorgang nicht notwendig, und die Zeit für den Stapelvorgang kann auf ungefähr ¾ reduziert werden, verglichen mit der herkömmlichen Technik, so dass die Stapelarbeitskosten spürbar verbessert werden.
  • Im Betrieb der ersten Ausführungsform, deren Aufbau oben beschrieben ist, wird Speisewasser zunächst zu dem Wasserzuführstutzen 14 von außerhalb der Befestigungsendplatte 21 zugeführt, und die Wasserzuführnuten 15 und die Pufferabschnitte 17 werden der Reihe nach mit Wasser gefüllt. Dabei können die gesamten Wasserkanäle von dem Wasserzuführstutzen 14 zu den Verbindungsöffnungen 16 gefüllt werden, weil der Wasserzuführstutzen 14 sich weiter unten befindet als die Pufferabschnitte 17.
  • Daher können die Wasserzuführnuten 15 und die Pufferabschnitte 17 alle mit Wasser gefüllt werden durch Positionieren des Wasserzuführstutzens 14 weiter unten als die Pufferabschnitte 17. Daher können die Gasbläschen, welche eine gleichmäßige Verteilung des Wassers nachteilig beeinträchtigen würden, vollständig eliminiert werden. Als Ergebnis ist ein Blasenentfernungsvorgang nicht erforderlich, und der Betrieb des gleichmäßigen Verteilens von Wasser auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a wird einfach. Außerdem kann der Wasserzuführdruck verbessert werden durch den Höhenunterschied zwischen dem Wasserzuführstutzen 14 und den Pufferabschnitten 17, und das Wasser kann gleichmäßiger auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a verteilt werden.
  • Das zu den Pufferabschnitten 17 zugeführte Wasser wird durch die porösen Körper 20 in den Richtungen der Oberfläche zu den Verbindungsöffnungen 16 geführt, und dann zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a. Da die Verbindungsöffnungen 16 im gleichen Aufriss angeordnet sind, wenn die Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 aufrecht angeordnet sind, würde kein Druckunterschied aufgrund einer Höhendifferenz erzeugt, und Wasser kann gleichmäßig auf die Verbindungsöffnungen 16 verteilt werden. Außerdem kann der Wasserzuführdruck verbessert werden aufgrund des Druckverlustes, der verursacht wird, wenn das Wasser durch die porösen Körper 20 strömt, und Wasser kann gleichmäßig auf die Verbindungsöffnungen 16 verteilt werden, unabhängig von kleineren Unterschieden in der Größe und der Anordnung der Verbindungsöffnungen. Die Wasserzuführnuten 15 haben die Funktion, den Druckverlust in Wasserflussrichtung zu reduzieren, so dass das Wasser gleichmäßig in Oberflächenrichtung verteilt werden kann.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform kann daher das zugeführte Wasser gleichmäßig auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a verteilt: werden. Wenn der oben beschriebene Brennstoffzellenstapel 10 unter der Bedingung einer elektrischen Ladestromdichte von 0,5 A/cm2 (5000A/m2) und einem Durchsatz des zugeleiteten Wassers von ungefähr 20 mg/cm2 betrieben wurde, lag der Bereich des Wasserzuführdurchsatzes innerhalb ± 20%. Die Bereichsbreite war ausreichend gering für eine gleichmäßige latente Kühlung der Brennstoffzelleneinheiten 7 des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Brennstoffgas wird durch die Befestigungsendplatte 21 hindurch zu dem Brennstoffgasstutzen 11a zugeführt. Da das Brennstoffgas ein einphasiges Gas ist, kann es einfach gleichmäßig auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a verteilt werden, obwohl das Brennstoffgas eventuell Wasserdampf beinhaltet. Das Wasser und das Brennstoffgas, welche separat auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a verteilt werden, werden gemischt, um zweiphasige Ströme in dem Brennstoffgaseinführbereich zu bilden, und sie fließen durch die Brennstoffgaszuführnuten 9a.
  • Daher kann ein gemischtes Fluid aus erforderlichem Wasser und Brennstoffgas zu den Brennstoffelektroden 2a der Membranelektrodenanordnungen 3 in dem Brennstoffstapel zugeführt werden. Verglichen mit einem Fall, in dem Brennstoffgas und Wasser zuerst vermischt werden und dann die Mischung verteilt wird auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a als zweiphasige Ströme, kann eine gleichmäßige Flussverteilung erzielt werden, sogar wenn das Brennstoff-Wassermischverhältnis und die Durchflussmenge sich verändern, beispielsweise aufgrund eines Anstiegs des elektrischen Ladestroms.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 unter dem oben beschriebenen Zustand einer elektrischen Ladestromdichte von 0,5 A/cm2 (5000A/m2)und einem Durchsatz des zugeleiteten Wassers von ungefähr 20 mg/cm2 betrieben wurde, betrug die Betriebstemperatur 76°C. Dabei betrugen die Brennstoffzellenspannungsunterschiede in den fünfzig Zellen ungefähr ± 1%, und elektrische Energie wurde stabil erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 10 war um 30° in Stapelrichtung oder um 30° in den Ebenen der Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 geneigt, was die Brennstoffzellenspannungsdifferenz nicht beeinträchtigte, und der Stapel konnte stabil betrieben werden. Außerdem konnte der Stapel stabil betrieben werden unter den Bedingungen von simulierten Fahrzeugschwingungen. Diese Ergebnisse zeigten, dass die Mischung aus Wasser und Brennstoffgas gleichmäßig auf die Gaszuführnuten 9a verteilt werden konnte, sogar wenn der Brennstoffzellenstapel 10 geneigt war oder schwang. Daraus wird deutlich, dass die oben beschriebene Ausführungsform auf ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie für die mobile Verwendung anwendbar ist.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 und die Membranelektrodenanordnungen 3 flache Platten. Diese flachen Platten können jedoch optional durch gekrümmte Platten oder gekrümmte Bleche ersetzt werden, welche eine zylindrische Gestalt haben können und in radialer Richtung gestapelt sein können.
  • Außerdem ist in der oben beschriebenen Ausführungsform der Wasserzuführstutzen 14 in den Separatoren 5 ausgeformt, welcher alternativ außerhalb der Separatoren 5 angeordnet sein kann.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ähnlich der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben ist, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht gewebtes Textilmaterial aus hydrophilem Kohlenstoff für den porösen Körper 20 in dem Pufferabschnitt 17 verwendet wird.
  • Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform wird Wasser gleichmäßig auf die Brennstoffgaszuführnuten 9a verteilt, und der feste Hochpolymer-Brennstoffzellenstapel 10 kann stabil betrieben werden, und zwar direkt vom Start des Betriebs an. Verglichen mit dieser Ausführungsform würde ein Brennstoffzellenstapel 10, der weniger hydrophiles Kohlenstoffmaterial als poröse Körper 20 verwendet, einen zusätzlichen Betrieb, wie beispielsweise die temporäre Steigerung der Wasser-Durchflussmenge, erfordern, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, und selbst nach einem solchen Vorgang könnte die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit schwanken aufgrund einer nicht gleichmäßigen Wasserstromverteilung. Der Grund hierfür könnte sein, dass Gasbläschen in den porösen Körpern 20 verbleiben, die eine gleichmäßige Wasserverteilung behindern.
  • Die porösen Körper 20 der zweiten Ausführungsform haben eine hohe Hydrophilie in Oberflächenrichtung, da die Kohlenstofffasern in dem nicht gewebten Textilmaterial aus Kohlenstoff typischerweise in Richtung der Oberfläche orientiert sind. Wenn Wasser den porösen Körpern 20 zugeführt wird, welche eine hohe Hydrophilie in Oberflächenrichtung haben, kann Wasser in die porösen Körper 20 eindringen durch Ersetzen von Gas in den porösen Körpern 20. Daher sind die Wasserverteilungen in den porösen Körpern 20 gleichmäßig ohne einen Gasfreigabevorgang der porösen Körper 20. Daher wird Wasser gleichmäßig zugeführt, und der stabile Betrieb kann durchgeführt werden.
  • Obwohl die zweite Ausführungsform ein nicht-gewebtes Textilmaterial aus Kohlenstoff für die porösen Körper 20 verwendet, können auch andere Materialien für die porösen Körper 20 verwendet werden, wenn die Materialien im Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10 wasserbeständig sind. Außerdem können die porösen Körper 20 auch nicht aus nicht-gewebtem Textilmaterial bestehen und ausgetauscht werden durch ein anderes Material mit inneren wechselseitig verbundenen hydrophilen Gashohlräumen, wie beispielsweise Strickware, Filz und Gewebematerial, und zwar mit den gleichen Vorteilen. Außerdem kann das oben beschriebene poröse Material auch beispielsweise mit einem aktiven Oberflächenmittel behandelt werden, so dass es hydrophil wird.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Die dritte Ausführungsform der Erfindung ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ähnlich der ersten oben beschriebenen Ausführungsform, aber das Wasserzuführmittel 13 ist wie in 9 dargestellt ausgebildet. 9 ist eine Querschnittsansicht des Wasserzuführmittels 13 der dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform ist gekennzeichnet durch Deckel 23, die wasserundurchlässig sind und die Wasserzuführnuten 15 und die Pufferbereiche 17 abdecken.
  • Die Deckel 23, die wasserundurchlässig sind, können Lagen aus sulfonischem Polyethylenkunstharz mit einer Dicke von beispielsweise 250 Mikrometern sein. Die Oxidationselektrodensubstrate 9b, welche Elektrodenkörper der Membranelektrodenanordnungen 3 sind, sind mittels der Dichtungen 6 isoliert, und die festen Hochpolymerelemente 1 der Membranelektrodenanordnungen 3 sind erweitert, um die Lage aus sulfonischem Polyethylenkunstharz zu bedecken. Das zugeführte Wasser fließt in den Wasserzuführnuten 15, und zu den Pufferabschnitten 17, wie in 9 mit gepunkteten Pfeilen dargestellt. Dann fließt das Wasser durch die porösen Kohlenstoffkörper 20 in Richtung der Oberfläche in den Pufferabschnitten 17, um auf der anderen Seite durch die Verbindungsöffnungen 17 den Brennstoffgaszuführnuten 9b zugeführt zu werden.
  • In der dritten Ausführungsform haben die Deckel 23 die Funktion, die porösen Körper in den Pufferabschnitten zu halten und gleichzeitig das Auslaufen von zu den Wasserzuführnuten 15 und den Pufferabschnitten 17 zugeführtem Wasser zu verhindern. Der Effekt der gleichmäßigen Wasserverteilung zu den Verbindungsöffnungen 16 würde sich daher nicht verschlechtern, sogar wenn der. Brennstoffzellenstapel 10 schwänge. Tatsächliche Energieerzeugungstests wurden durchgeführt unter Verwendung der dritten Ausführungsform unter Schwingungsbedingungen, die eine Fahrzeugschwingung simulieren, und kein Auslaufen von Wasser aus den Wasserzuführmitteln 13 wurde festgestellt, und eine stabile Energieerzeugung wurde erreicht.
  • [Vierte Ausführungsform)
  • Die vierte Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich der dritten Ausführungsform, aber mit verbesserten Deckeln 23, die wasserundurchlässig sind. Die vierte Ausführungsform ist auch ähnlich dem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, aber das Wasserzuführmittel 13 ist wie 10 dargestellt ausgebildet. 10 ist eine Querschnittsansicht des Wasserzuführmittels 13 der vierten Ausführungsform.
  • Jeder Deckel 23, der wasserundurchlässig ist, ist eine Kombination aus einer rostfreien Stahlplatte 23b mit einer Dicke von 200 Mikrometern und einem Schaumgummikörper 23a mit einer Dicke von 150 Mikrometern, und die rostfreie Stahlplatte 23b kontaktiert den porösen Körper 20. Der Schaumstoffkörper 23a kann um ungefähr 100 Mikrometer komprimiert werden, wenn der Brennstoffzellenstapel befestigt wird. Die rostfreie Stahlplatte 23b und der Schaumgummikörper 23a werden zuvor mit einem wasserbeständigen Klebstoff zusammengeklebt. Das Oxidationselektrodensubstrat 19b ist mittels der Dichtung 6 isoliert, und die Ionenaustauschmembran 1 der Membranelektrodenanordnung 3 erstreckt sich über die Dichtung 6 hinüber, welche zwischen dem Oxidationselektrodensubstrat 19b und dem Deckel 23, der wasserundurchlässig ist, angeordnet ist. Das zugeführte Wasser fließt durch die Wasserzuführnuten 15 zu dem Pufferabschnitt 17, wie durch den gepunkteten Pfeil in dieser Figur dargestellt. Dann strömt das Wasser durch den porösen Körper 20 in dem Pufferabschnitt 17 in Richtung parallel zu der Oberfläche, und dann durch die Verbindungsöffnungen 16 zu den Brennstoffgaszuführnuten 9b auf der gegenüberliegenden Seite.
  • In der oben beschriebenen vierten Ausführungsform würden sich die Deckel 23, die wasserundurchlässig sind, nicht verbiegen, sogar wenn der Brennstoffstapel befestigt wird, da die Deckel 23 rostfreie Stahlplatten 23b mit einer hohen Festigkeit auf der Seite der porösen Körper 20 aufweisen. Daher würden die Wasserzuführnuten 15 und die Pufferabschnitte 17 nicht verformt werden und sich nicht nachteilig auf die Wasserverteilung auswirken. Außerdem wird eine Kompressionsverformung beim Befestigen des Brennstoffzellenstapels 10 durch das Schaumgummi 23a auf der gegenüberliegenden Seite der porösen Körper 20 absorbiert. Daher kann ein Zerbrechen des Reaktantgas-Zuführseparators 5 verhindert werden.
  • Da die Reaktion des Schaumgummis 23a die porösen Körper 20 gegen die Pufferabschnitte 17 presst, würden sich außerdem die porösen Körper 20 nicht relativ zu den Pufferabschnitten 17 bewegen, und das Wasser wird gleichmäßig auf die Verbindungsöffnungen 16 verteilt, sogar wenn der Brennstoffzellenstapel 10 schwingt. Tatsächlich wurden elektrische Energieerzeugungstests unter Verwendung der vierten Ausführungsform unter den Bedingungen durchgeführt, die Fahrzeugschwingungen simulieren, und stabile Energie wurde erzeugt, ohne dass Wasser von dem Wasserzuführmittel 13 auslief. Außerdem kann in der vierten Ausführungsform eine Relativbewegung der rostfreien Stahlplatten 23b und des Schaumgummis 23a verhindert werden, indem diese zuvor verklebt werden. Eine Effizienz beim Stapeln ist daher verbessert, und die Arbeitskosten für das Stapeln können gesenkt werden.
  • [Fünfte Ausführungsform]
  • Die fünfte Ausführungsform der Erfindung ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ähnlich der ersten Ausführungsform, aber mit Brennstoffgaseinführbereichen 18, die in den Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 ausgeformt sind, wie in 11 dargestellt. Die fünfte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass Führungsnuten 9c, welche Wasser von den Verbindungsöffnungen 16 zu den Gaszuführnuten 9a in den Brennstoffgaszuführbereichen 18 führen, um einen halben Abstand aus der Ausrichtung heraus angeordnet sind. 11 ist eine Ansicht der Brennstoffgaseinführbereiche 18 der fünften Ausführungsform.
  • In der fünften Ausführungsform mit dem oben beschriebenen Aufbau wird das durch die Verbindungsöffnungen 16 zu den Brennstoffgaseinführbereichen 18 geführte Wasser durch die Führungsnuten 9c zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a geführt, wo der Wasserfluss auf die Kanten trifft, welche zwischen sich die Gaszuführnuten 9a ausbilden, und das Wasser wird in die Nuten angrenzend an die Kanten abgezweigt. Daher wird in den Brennstoffgaszuführnuten 9a das von den angrenzenden stromaufwärts liegenden Verbindungsöffnungen 16 her zugeführte Wasser abgezweigt, um hindurchzufließen. Sogar wenn durch eine Verbindungsöffnung 16 zugeführtes Wasser aus irgendeinem Grund gestoppt wird, wird daher Wasser durch eine angrenzende Verbindungsöffnung 16 hindurchgeführt. Dann kann eine unzureichende Wasserzufuhr zu einer Brennstoffgaszuführnut 9a entsprechend einer blockierten Brennstoffgaszuführnut 9a kompensiert werden, und eine stabilere elektrische Energie kann erzeugt werden.
  • Tatsächlich wurden elektrische Energieerzeugungstests unter Verwendung der fünften Ausführungsform durchgeführt, wobei fünf von zwanzig Verbindungsöffnungen 16 in jeder Brennstoffzelleneinheit 7 beliebig ausgewählt und blockiert wurden, um einen Fall zu simulieren, in dem ein Teil der Wasserzufuhr durch die Verbindungsöffnungen 16 blockiert ist. Die Testergebnisse zeigten, dass die Wasserzufuhr ausreichend war und dass die Leistung jeder Brennstoffzelleneinheit 7 relativ gleich und stabil war. Dies beruht auf der Tatsache, dass das durch die Verbindungsöffnungen 16 angrenzend an die blockierten Verbindungsöffnungen 16 hindurch zugeführte Wasser abgezweigt und zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a zugeführt wurde.
  • [Sechste Ausführungsform]
  • Die sechste Ausführungsform der Erfindung ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ähnlich der ersten Ausführungsform und gekennzeichnet in den Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 mit Gasentlüftungsöffnungen 24. 12 zeigt Positionen der Gasentlüftungsöffnung 24 und des Wasserzuführstutzens 14, etc. in dem Reaktantgas-Zuführseparator 5, gesehen von der Brennstoffgaszuführoberfläche her. Die Gasentlüftungsöffnung 24 ist höher angeordnet als die Verbindungsöffnungen 16 in dem Brennstoffgaseinführbereich 18 (oder im oberen Stirnbereich des Reaktantgas-Zuführseparators 5), und der Wasserzuführstutzen 14 ist weiter unten angeordnet als die Verbindungsöffnungen 16.
  • 13 zeigt die Gasentlüftungsöffnung 24 und ihre Umgebung in dem Reaktantgas-Zuführseparator 5, gesehen von der Oxidantgaszuführoberfläche her. Die Gasentlüftungsöffnung 24 ist mit dem Pufferabschnitt 17 verbunden. Wie in 14 dargestellt, ist die Befestigungsendplatte 21 des Brennstoffzellenstapels 10, der mit den oben beschriebenen Reaktantgas-Zuführseparatoren 5 ausgeformt ist, mit einer Gasentlüftungsleitung 25 ausgestattet und damit verbunden. Ein Ventil 26 ist mit der Gasentlüftungsleitung 25 verbunden, um die Gasentlüftungsöffnungen 24 selektiv zu entlüften und zu blockieren.
  • In der oben beschriebenen sechsten Ausführungsform kann das Ventil 26 betätigt werden, um sich zu öffnen, um die Gasentlüftungsöffnungen 24 mit der Atmosphäre zu verbinden, wenn das Wasser während des Startvorgangs des Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt wird, so dass Gas, welches in den Pufferabschnitten 17 verbleibt, entlüftet werden kann. Typischerweise wird die Wasserzufuhr angehalten, wenn die Energieerzeugung mittels des Brennstoffzellenstapels 10 angehalten wird. Dabei können Bläschen in den Wasserkanälen zu den Verbindungsöffnungen 16 entfernt werden, weil das unterhalb der Verbindungsöffnungen 16 gehaltene Wasser dort verbleibt und der Wasserzuführstutzen 14 unterhalb der Pufferabschnitte 17 positioniert ist.
  • Andererseits wird das oberhalb der Verbindungsöffnungen 16 gehaltene Wasser durch die Verbindungsöffnungen 16 zu den Brennstoffgaszuführnuten 9a abgelassen. In der sechsten Ausführungsform können die Gasbläschen, welche oberhalb der Verbindungsöffnungen 16 anwesend sein können, in kurzer Zeit vollständig entlüftet werden durch Entlüften des verbleibenden Gases in den Pufferabschnitten 17 durch die Gasentlüftungsöffnungen 24 hindurch.
  • Nachdem die Gasentlüftungsöffnung 24 und die Entlüftungsleitung 25 mit Wasser gefüllt sind, wird das Ventil 26 geschlossen, um die Gasentlüftungsöffnung 24 zu blockieren, das Reaktantgas wird zugeführt, und die elektrische Energieerzeugung wird gestartet. Als Ergebnis ist die Brennstoffzellenleistung jeder Brennstoffzelleneinheit 7 vom Beginn der Energieerzeugung an gleichmäßig. In den Tests, in denen ein Entlüften zur Atmosphäre nicht durchgeführt wurde, wenn das Wasser beim Beginn des Betriebs zugeführt wurde, hatten einige Brennstoffzelleneinheiten geringere Spannungen als die anderen Brennstoffzelleneinheiten 7. Unterschiedliche Brennstoffzelleneinheiten 7 hatten bei jedem Betriebsbeginn niedrigere Spannungen. Dies beruhte darauf, dass die in den Pufferabschnitten 17 verbleibenden Bläschen eine gleichmäßige Verteilung des Wassers verhinderten.
  • Nun wird eine modifizierte Ausführungsform der oben beschriebenen sechsten Ausführungsform diskutiert. In der oben erfolgten Beschreibung wird das Ventil 26 beim Start des Brennstoffzellenbetriebs geöffnet und geschlossen, und das Ventil 26 wird während des Brennstoffzellenbetriebs geschlossen gehalten. Das Ventil 26 kann jedoch mit einem geeigneten Öffnungsgrad während des Brennstoffzellenbetriebs offengehalten werden. In einem solchen Fall soll das Ventil 26 als Druckverlustelement arbeiten, und der Druck in der Gasentlüftungsöffnung 24 wird höher gehalten als der in dem Brennstoffgaszuführstutzen 11a. Dies dient dazu, ein übermäßiges Auslassen von Brennstoffgas durch die Gasentlüftungsöffnung 24 hindurch zu verhindern.
  • Daher wird eine geringe Menge an Wasser und Gas, das aus dem Wasser erzeugt wird, kontinuierlich durch die Gasentlüftungsöffnung 24 und das Ventil 26 hindurch gezwungen. Dann kann ein nachteiliger Effekt des aus dem Wasser erzeugten Gases, welches in den Pufferabschnitten verbleiben würde, auf die Wasserverteilung verhindert werden.
  • Alternativ kann das Ventil 26 durch ein anderes Druckverlustelement, wie beispielsweise eine Öffnung oder ein Kapillarrohr ersetzt werden.
  • [Siebte Ausführungsform]
  • Die siebte Ausführungsform der Erfindung ist ein eine Modifikation der sechsten Ausführungsform, aber das Ventil 26 ist durch ein Gasentlüftungsventil 35 ersetzt, welches mit der Gasentlüftungsleitung 25 verbunden ist, wie in 15 dargestellt. Der Aufbau des Gasentlüftungsventils 35 wird nun mit Bezug auf die 16(A), 16(B) und 17 offenbart. 16(A) ist eine Draufsicht auf das Gasentlüftungsventil 35, 16(B) ist eine Querschnittsansicht des Gasentlüftungsventils 35 in einem Gasentlüftungszustand, und 17 ist eine Querschnittsansicht des Gasentlüftungsventils 35, wenn die Gasentlüftung und die Wasserabdichtung vollendet sind.
  • Das Gasentlüftungsventil 35 der siebten Ausführungsform hat ein zylindrisches Rohr 33 mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 10 mm, und einen in dem Rohr 33 angeordneten Schwimmer 27. Der Schwimmer 27 ist ein Plastikball mit einem Durchmesser von beispielsweise 8 mm, und er hat eine spezifische Dichte, die größer ist als die von Wasser 30. Ein Deckel 34 ist auf dem kreisförmigen Rohr 33 angeordnet. Der Deckel 34 hat eine Öffnung 28, welche einen kleineren Durchmesser hat als der Schwimmer 27. Eine Dichtung 29 ist an dem Deckel 34 angeordnet, um durch Kontakt mit dem Schwimmer 27 einen Dichtungseffekt zu haben. Das Gasentlüftungsventil 35 ist vertikal positioniert, und sein unteres Ende ist mit dem Ende der Gasentlüftungsleitung 25 verbunden.
  • Nun wird der Gasentlüftungsbetrieb mittels des Gasentlüftungsventils 35 der siebten Ausführungsform diskutiert. Wenn Wasser zu dem kreisförmigen Rohr 33 des Gasentlüftungsventils 32 zugeführt wird, wird Gas 31 in dem kreisförmigen Rohr 33 durch die Öffnung 28 hindurchgespült. Die Gasentlüftungsleitung in einer solchen Situation ist in 16(B) dargestellt. Wenn das Gas 31 in dem kreisförmigen Rohr 33 des Gasentlüftungsventils 32 gespült wird und die Menge an Wasser 30 in dem kreisförmigen Rohr 33 ansteigt, steigt der Wasserstand in dem kreisförmigen Rohr 33, und der Schwimmer 27 wird nach oben gedrückt. Wenn der Schwimmer 27 die Dichtung 29 berührt, wird das Wasser abgedichtet (17). Daher kann nur Gas 31 in dem kreisförmigen Rohr 33 gespült werden ohne einen Überfluss des Wassers 30 von der Öffnung 28.
  • Durch Entlüften von Gas unter Verwendung des Gasentlüftungsventils 3 5, wie oben beschrieben, kann verbleibendes Gas in den Pufferabschnitten 17 durch die Gasentlüftungsöffnung 24 gespült werden. Daher können Bläschen, welche sich oberhalb der Verbindungsöffnungen 16 befinden könnten, eliminiert werden, und eine verlässlichere gleichmäßige Verteilung von Wasser wird erzielt. Außerdem ist in der siebten Ausführungsform nur das Gasentlüftungsventil 35, wie oben beschrieben, neben dem Brennstoffzellenstapel 10 montiert, ein spezielles Steuerungssystem zum Entlüften der Bläschen in dem Brennstoffzellenstapel 10 ist nicht notwendig, und Bläschen in dem Brennstoffzellenstapel 10 können automatisch herausgespült werden ohne jeden manuellen Eingriff. Daher kann ein den Brennstoffzellenstapel 10 verwendendes elektrisches Energieerzeugungssystem vereinfacht werden, und seine Herstellungskosten können gesenkt werden.
  • Außerdem kann das kreisförmige Rohr 33 des Gasentlüftungsventils 35 der vorliegenden Ausführungsform durch ein rechteckiges Rohr mit gleichem Effekt ausgetauscht werden. Außerdem muss der Aufbau zum Erzielen eines Dichtungseffekts durch Kontaktieren des Schwimmers 27 mit dem oberen Teil des Gasentlüftungsventils 35 nicht notwendigerweise einen Deckel 34 mit einer Öffnung 28 beinhalten. Beispielsweise kann ein solcher Dichtungsaufbau auch erhalten werden durch kegelförmiges Ausgestalten des inneren Durchmessers des Gasentlüftungsventils 35, um eine kreisförmige konische Gestalt zu erhalten.
  • Außerdem kann das Gasentlüftungsventil, welches wie oben beschrieben betätigt wird und die oben beschriebenen Effekte hat, als Gasentlüftungsventil nicht nur für die Brennstoffzellenstapel 10, sondern auch für andere Tanks oder Rohre verwendet werden, die Flüssigkeit mit Gas beinhalten.
  • Ein Beispiel eines anderen Aufbaus des Gasentlüftungsventils ist in den 18(A), 18(B) und 19 dargestellt. Die 18(A) ist eine Draufsicht des Gasentlüftungsventils 36, 18(B) ist eine Querschnittsansicht des Gasentlüftungsventils 36 in einem Gasentlüftungszustand, und 19 ist eine Querschnittsansicht des Gasentlüftungsventils 36, wenn die Gasentlüftung und die Wasserabdichtung vollendet sind. In dieser Ausführungsform ist eine Dichtung 29 an einem kreisförmigen zylindrischen Schwimmer 27a angebracht.
  • Positioniervorsprünge 32 sind an dem Schwimmer 27a angebracht, so dass der Schwimmer 27a um die Mitte des kreisförmigen Rohrs 33 des Gasentlüftungsventils 36 herum gehalten werden kann. In dieser Ausführungsform wird nur Gas 31 eliminiert, ohne dass Wasser von der Öffnung 28 überfließt.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wie oben beschrieben, kann der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung als feste und verteilte elektrische Energiequelle oder als kosmische oder mobile elektrische Energiequelle verwendet werden.

Claims (14)

  1. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen (3); wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode (2a) einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten; wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen Pufferabschnitt (17), welcher an der zweiten Oberfläche ausgeformt ist und einen porösen Körper (20) zum gleichmäßigen Verteilen von Wasser von der Wasserzuführnut zu den in mehreren der Reaktantgaszuführseparatoren ausgebildeten Verbindungsöffnungen aufweist; und wobei sich der poröse Körper entlang der zweiten Oberfläche erstreckt, so dass Wasser durch den porösen Körper entlang der zweiten Oberfläche fließen kann und der poröse Körper jeweils hydrophil ist.
  2. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen (3); wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode (2a) einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten; wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen Pufferabschnitt (17), welcher an der zweiten Oberfläche ausgeformt ist und einen porösen Körper (20) zum gleichmäßigen Verteilen von Wasser von der Wasserzuführnut zu den in mehreren der Reaktantgaszuführseparatoren ausgebildeten Verbindungsöffnungen aufweist; und wobei sich der poröse Körper entlang der zweiten Oberfläche erstreckt, so dass Wasser durch den porösen Körper entlang der zweiten Oberfläche fließen kann; und wobei die Pufferabschnitte jeweils einen wasserundurchlässigen Deckel (23) in Kontakt mit dem porösen Körper aufweisen.
  3. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei der wasserundurchlässige Deckel eine Platte (23b) mit einer solchen Festigkeit aufweist, dass der Deckel keine Biegung bei der Wasserzuführnut erfährt und bei dem Pufferabschnitt, wenn der Brennstoffzellenstapel befestigt wird, und eine elastische Lage (23a), welche sich in der Kompression deformiert, auf der entgegengesetzten Seite einer Seite angeordnet ist, die den porösen Körper jedes Deckels kontaktiert.
  4. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, wobei der wasserundurchlässige Deckel und die elastische Lage zuvor miteinander verklebt worden sind.
  5. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Membranelektrodenanordnungen und die Reaktantgas-Zuführseparatoren aufrecht angeordnet sind; wobei mehrere Verbindungsöffnungen in dem Reaktantgas-Zuführseparator ausgeformt sind, und wobei die Verbindungsöffnungen auf der gleichen Höhe positioniert sind.
  6. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen; wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten; wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen Pufferabschnitt (17), welcher an der zweiten Oberfläche ausgeformt ist und einen porösen Körper (20) zum gleichmäßigen Verteilen von Wasser von der Wasserzuführnut zu den in mehreren der Reaktantgaszuführseparatoren ausgebildeten Verbindungsöffnungen aufweist; wobei sich der poröse Körper entlang der zweiten Oberfläche erstreckt, so dass Wasser durch den porösen Körper entlang der zweiten Oberfläche fließen kann, wobei die Membranelektrodenanordnungen und die Reaktantgas-Zuführseparatoren aufrecht angeordnet sind; und wobei die Verbindungsöffnungen höher angeordnet sind als die Wasserzuführnuten, so dass das Brennstoffgas abwärts durch die Brennstoffgaszuführnuten fließen kann, begleitet von Wasser, welches durch die Verbindungsöffnungen hindurchgetreten ist.
  7. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren einen Wasserzuführstutzen hat, der unterhalb des Pufferabschnitts positioniert ist.
  8. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen; wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten; wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen Pufferabschnitt (17), welcher an der zweiten Oberfläche ausgeformt ist und einen porösen Körper (20) zum gleichmäßigen Verteilen von Wasser von der Wasserzuführnut zu den in mehreren der Reaktantgaszuführseparatoren ausgebildeten Verbindungsöffnungen aufweist; und wobei sich der poröse Körper entlang der zweiten Oberfläche erstreckt, so dass Wasser durch den porösen Körper entlang der zweiten Oberfläche fließen kann; wobei mehrere Brennstoffgaszuführnuten (9a) ausgebildet sind; wobei Brennstoffgaseinführbereiche (18) des Brennstoffgases in den Brennstoffgaszuführnuten mehrere Führungsnuten zum Führen von Wasser haben, welches durch die Verbindungsöffnungen zu den Brennstoffgaszuführnuten hindurchgetreten ist; und wobei die Führungsnuten und die Brennstoffgaszuführnuten nicht miteinander ausgerichtet sind.
  9. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen; wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode (2a) einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten; wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen Pufferabschnitt (17), welcher an der zweiten Oberfläche ausgeformt ist und einen porösen Körper (20) zum gleichmäßigen Verteilen von Wasser von der Wasserzuführnut zu den in mehreren der Reaktantgaszuführseparatoren ausgebildeten Verbindungsöffnungen aufweist; und wobei sich der poröse Körper entlang der zweiten Oberfläche erstreckt, so dass Wasser durch den porösen Körper entlang der zweiten Oberfläche fließen kann; wobei eine Gasentlüftungsöffnung (24) auf einer höheren Ebene angeordnet ist als der Pufferabschnitt und mit dem Pufferabschnitt verbunden ist; und wobei der Stapel Bohrungsöffnungs- und Schließmittel (26, 35) zum selektiven Entlüften der Gasentlüftungsöffnung zur Atmosphäre und Blockieren der Gasentlüftungsöffnung aufweist.
  10. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei das Bohrungsöffnungs- und Schließmittel ein Gasentlüftungsventil (35) aufweist, das Folgendes beinhaltet: ein Rohr (33), einen Schwimmer (27) in dem Rohr, wobei der Schwimmer ein spezifisches Gewicht hat, das kleiner ist als das spezifische Gewicht der zu entlüftenden Flüssigkeit, und eine Öffnung (28), die oberhalb des Schwimmers in dem Rohr angeordnet ist, so dass die Öffnung geschlossen werden kann, wenn der Schwimmer die Öffnung direkt oder indirekt kontaktiert.
  11. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen; wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode (2a) einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; und Wasserzuführmittel (13) zum Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten; wobei das Wasserzuführmittel Folgendes beinhaltet: zumindest eine Wasserzuführnut (15) an der zweiten Oberfläche zum Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen her; zumindest eine Verbindungsöffnung (16) für die Verbindung von der zweiten zur ersten Oberfläche; und einen Pufferabschnitt (17), welcher an der zweiten Oberfläche ausgeformt ist und einen porösen Körper (20) zum gleichmäßigen Verteilen von Wasser von der Wasserzuführnut zu den in mehreren der Reaktantgaszuführseparatoren ausgebildeten Verbindungsöffnungen aufweist; und wobei sich der poröse Körper entlang der zweiten Oberfläche erstreckt, so dass Wasser durch den porösen Körper entlang der zweiten Oberfläche fließen kann; wobei eine Gasentlüftungsöffnung (24) auf einer höheren Ebene angeordnet ist als der Pufferabschnitt und mit dem Pufferabschnitt verbunden ist; und wobei der Stapel ein Druckverlustelement (26) hat, welches so gesetzt werden kann, dass Druck in der Gasentlüftungsöffnung während des Betriebs des Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels höher sein kann als der Zuführdruck des Brennstoffgases.
  12. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (10) mit: mehreren Membranelektrodenanordnungen mit jeweils einer Gasdiffusionselektrode (2a, 2b) auf jeder Seite einer Ionenaustauschmembran (1); mit mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), die jeweils Brennstoffgaszuführnuten (9a) auf einer Seite und Oxidantgaszuführnuten (9b) auf der anderen Seite aufweisen zum Zuführen von Brennstoffgas bzw. Oxidantgas zu den Gasdiffusionselektroden, wobei jeder der Separatoren zwischen zweien der mehreren Membranelektroden angeordnet ist; und mit Wasserzuführmitteln (13) zum Zuführen von Wasser zu dem Brennstoffgas, wobei: die Wasserzuführmittel in den Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt sind; die Wasserzuführmittel jeweils Folgendes aufweisen: eine Wasserzuführnut (15) und einen Pufferabschnitt (17), beide ausgeformt auf der gegenüberliegenden Seite der Brennstoffgaszuführnuten; Verbindungsöffnungen (16), welche durch den Reaktantgas-Zuführseparator hindurchtreten und den Pufferabschnitt und einen Brennstoffgaseinführbereich der Brennstoffgaszuführnuten verbinden; und einen porösen Körper (20) in Form einer Platte oder Schicht, welcher zumindest einen Teil des Pufferabschnitts ausfüllt; wobei Wasser von der Wasserzuführnut durch den Pufferabschnitt zugeführt wird und durch den porösen Körper in Richtung der ebenen Oberfläche geführt wird, und dann durch die Verbindungsöffnungen zu den Brennstoffgaszuführnuten.
  13. Verfahren zum Betrieb eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels (10), mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen; wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; wobei das Verfahren das Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten beinhaltet, wobei dies die folgenden Schritte beinhaltet: Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen zu zumindest einer Wasserzuführnut (15), die an der zweiten Oberfläche angeordnet ist; Führen von Wasser von der Wasserzuführnut durch einen Pufferabschnitt (17) entlang der zweiten Oberfläche, wobei der Pufferabschnitt an der zweiten Oberfläche angeordnet ist und sich entlang dieser Oberfläche erstreckt, und einen porösen Körper (20) aufweist; und Führen von Wasser, welches durch den Pufferabschnitt hindurchgetreten ist, von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche durch eine Verbindungsöffnung.
  14. Verfahren zum Betrieb eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels (10), mit: mehreren Elektrodenanordnungen mit jeweils einer ersten Gasdiffusionselektrode (2a) auf einer Seite einer Ionenaustauschmembran (1) und einer zweiten Gasdiffusionselektrode (2b) auf der anderen Seite; und mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren (5), jeweils angeordnet zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen; wobei ein Wasserzuführstutzen (14) zum Zuführen von Wasser zu jedem der mehreren Reaktantgas-Zuführseparatoren ausgeformt ist; wobei: jeder der Reaktantgas-Zuführseparatoren Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, welche zu der ersten Gasdiffusionselektrode einer der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Brennstoffgaszuführnuten (9a) zum Zuführen von Brennstoffgas hat; eine zweite Oberfläche, welche zu der zweiten Gasdiffusionselektrode einer anderen der Membranelektrodenanordnungen hinweist und Oxidantgaszuführnuten (9b) zum Zuführen von Oxidantgas hat; wobei das Verfahren das Zuführen von Wasser zu den mehreren Brennstoffgaszuführnuten beinhaltet, wobei dies die folgenden Schritte beinhaltet: Einführen von Wasser von dem Wasserzuführstutzen zu zumindest einer Wasserzuführnut, die an der zweiten Oberfläche angeordnet ist; Führen von Wasser von der Wasserzuführnut durch einen Pufferabschnitt (17) entlang der zweiten Oberfläche, wobei der Pufferabschnitt an der zweiten Oberfläche angeordnet ist und sich entlang dieser Oberfläche erstreckt, und einen porösen Körper (20) aufweist; und Führen von Wasser, welches durch den Pufferabschnitt hindurchgetreten ist, von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche durch eine Verbindungsöffnung (16); wobei der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel Folgendes aufweist: eine Gasentlüftungsöffnung (24), welche mit dem Pufferabschnitt verbunden und oberhalb des Pufferabschnitts positioniert ist; ein mit der Gasentlüftungsöffnung verbundenes Rohr (25); und ein Druckverlustelement (26), welches mit dem Rohr verbunden ist; und wobei das Verfahren weiter das kontinuierliche Auslassen eines Teils des Wassers von dem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel beinhaltet, von dem Pufferabschnitt durch die Gasentlüftungsöffnung und das Druckverlustelement, so dass Druck in der Gasentlüftungsöffnung höher gehalten werden kann als der Zuführdruck des Brennstoffgases während des Betriebs des Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels.
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