DE10197259T5

DE10197259T5 - Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack

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Publication number: DE10197259T5
Application number: DE10197259T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yokohama Ooma; Yasuji Yokohama Ogami; Hiroshi Yokohama Chizawa; Michio Yokohama Hori
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: WO2003009411A1; CN1633724A; US20040151954A1; CN100346514C; DE10197259B4; US6893759B2; JPWO2003009411A1

Abstract

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst:
eine Membran-Elektrodenanordnung (23) mit einer Protonenaustauschmembran (1) und einer Brennstoffelektrode (2a) sowie einer Oxidationsmittelelektrode (1b), die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran (1) angeordnet sind,
einen Separator (5A), der, außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, mehrere Brennstoffgas-Strömungswege (11) zum Zuführen eines Brennstoffgases, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode (2a) in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, sowie einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases, der in einer Plattenoberfläche ausgebildet ist, die mit einer Oxidationsmittelelektrode (1b) einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung (23) unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung (23) in Kontakt zu bringen ist, umfasst, und
ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack bzw. -stapel, der ein Polymer mit Ionenleitfähigkeit als Elektrolyten verwendet.
6 ist eine Vertikal-Schnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels des Standes der Technik (japanische Patentanmeldung, KOKAI-Veröffentlichungs-Nr. 1-140562) eines in Japan offenbarten Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks.
Bei diesem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack sind mehrere Elementarzellen-Hauptkomponenten 7 mechanisch in der Vertikalrichtung gestapelt bzw. geschichtet, und die Elementarzellen-Hauptkomponenten 7 sind miteinander in Reihe elektrisch verbunden.
Jede Elementarzellen-Hauptkomponente 7 umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung 3 und einen Separator 5. Die Membran-Elektrodenanordnung 3 wird durch Bilden einer Brennstoffelektrode 2a und einer Oxidationsmittelelektrode 2b auf den entgegengesetzten Plattenoberflächen einer Protonenaustauschmembran 1 erhalten.
In der Membran-Elektrodenanordnung 3 sind mehrere Durchgangslöcher zum Bilden mehrerer Verteiler an den linken und rechten Rändern in der Vertikalrichtung der Protonenaustauschmembran 1 ausgebildet. Der Separator 5 fungiert als brennstoffseitiger Kollektor und oxidationsmittelseitiger Kollektor und hat einen Brennstoffgas-Strömungsweg 9a sowie Oxidationsmittelgas-Strömungswege 9b. Eine Dichtung 6 ist zwischen den Umfängen der Protonenaustauschmembran 1 und des Separators 5 in den Umgebungen der Elektroden 2a und 2b ausgebildet.
Da die Protonenaustauschmembran 1 auch eine Funktion des Verhinderns einer Vermischung von den Elektroden 2a und 2b zugeführten Reaktionsgasen hat, ist die Fläche der Protonenaustauschmembran 1 normalerweise größer als die der Elektroden.
In den oberen und unteren Endabschnitten des Stacks, in dem die mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten 7 gestapelt sind, sind stromabführende Platten 31, Isolierplatten 32, Befestigungsplatten 33, Befestigungseinrichtungen (Befestigungsbolzen 34 und Federn 35), eine Brennstoffgas-Zuführleitung 36, eine Brennstoffgas-Austragsleitung 37, eine Oxidationsgas-Zuführleitung 38, eine Oxidationsgas-Austragsleitung 39, eine Wasserzuführleitung 40 und eine Wasseraustragsleitung 41 angeordnet.
Stromabführende Kabel sind in den stromabführenden Platten 31 angeordnet und mit einer externen Last verbunden. Ferner müssen die Befestigungsplatten 33 starr sein, um den gesamten Stack gleichmäßig zu befestigen.
Es ist erforderlich, dass der Stack verschiedene Bedingungen, wie z.B. die Reaktionsgasströmung, die Wasserströmung, die Temperatur und die Feuchtigkeit in der Stapelrichtung so gleichmäßig wie möglich in allen gestapelten Elementarzelleen 7 erfüllt.
Bei herkömmlichen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks vor dem obigen Stand der Technik sind Kühlmittel zum Abführen von durch Energieerzeugung erzeugter Wärme allgemein ein System, durch das eine Kühlplatte, in dem ein Kühlmittel, wie reines Wasser oder ein Frostschutzmittel, fließt, zwischen die Elementarzellen-Hauptkomponenten eingefügt.
Bei dem obigen Stand der Technik jedoch kann durch Zuführen von Wasser (reinem Wasser) zu der Brennstoffelektrode 2a durch den Brennstoffgas-Strömungsweg 9a eine Kühlplatte eliminiert werden, indem von der Brennstoffelektrode 2a zur Oxidationsmittelelektrode 2b transportiertes Wasser und durch die Oxidationsmittelelektrode 2b erzeugtes Wasser zusätzlich zu der Befeuchtungsfunktion der Protonenaustauschmembran 1 verdampft wird.
Unglücklicherweise weist der oben erwähnte Stand der Technik des Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks die folgenden Probleme auf.

(1) Falls Wasser in den Brennstoffgas-Strömungswegen verbleibt, wird nicht nur die Wasserströmung, sondern auch die Strömung des Brennstoffgases oder des Oxidationsmittelgases in einigen Fällen ungleichmäßig, wobei eine starke Elementarzellen-Spannungsverteilung in dem Stack erzeugt und eine stabile Energieerzeugung unmöglich gemacht wird. Ebenso bleibt Wasser, wenn der Stack aktiviert oder gestoppt wird, leicht in den Brennstoffgas-Strömungswegen und ruft dasselbe Problem hervor.
(2) Die Strömung des dem Brennstoffgas zuzuführenden Wassers wird in einigen Fällen in Abhängigkeit von den Stack-Installationsbedingungen ungleichmäßig, z.B., falls sich der Installationswinkel ändert oder Vibrationen auftreten. Dies erzeugt manchmal eine Verteilung der Befeuchtungszustände oder der Latentwärme-Kühlmenge jeder Elementarzelle, wodurch eine stabile Energieerzeugung unmöglich gemacht wird.

Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack bereitzustellen, bei dem kein Wasser in den Gas-Strömungswegen verbleibt, und der elektrische Energie ungeachtet beispielsweise des Stack-Installationswinkels oder von Vibrationen stabil erzeugen kann.
Eine Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst: eine Membran-Elektrodenanordnung mit einer Protonenaustauschmembran und einer Brennstoffelektrode sowie einer Oxidationsmittelelektrode, die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran angeordnet sind, einen Separator, der, außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, mehrere Brennstoffgas-Strömungswege zum Zuführen eines Brennstoffgases umfasst, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, sowie einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases, der in einer Plattenoberfläche ausgebildet ist, die mit einer Oxidationsmittelelektrode einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung in Kontakt zu bringen ist, umfasst, und ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgas-Strömungswegen, wobei das Wasserzuführmittel einen in der Vertikalrichtung so ausgebildeten Wasserverteiler, dass er sich durch den Separator erstreckt, einen in der Oberfläche, in der der Oxidationsmittelgas-Strömungsweg ausgebildet ist, oberhalb eines untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers positionierten und kontinuierlich in einer Horizontalrichtung ausgebildeten Wasserzuführweg sowie mehrere Verbindungslöcher, die in dem Wasserzuführweg so ausgebildet sind, dass der Wasserzuführweg mit den Brennstoffgas-Strömungswegen kommunizieren kann, umfasst.
Eine Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und in Reihe miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst: eine Membran-Elektrodenanordnung mit einer Protonenaustauschmembran und einer Brennstoffelektrode sowie Oxidationsmittelelektrode, die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran angeordnet sind, einen Separator, der außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten mehrere Brennstoffgas-Strömungswege zum Zuführen eines Brennstoffgases, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, und einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg zum Zuführen eines Oxidationsmittel gases, der in einer mit einer Oxidationsmittelelektro de einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet ist, umfasst, und ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgas-Strömungswegen, wobei das Wasserzuführmittel einen in der Vertikalrichtung so ausgebildeten Wasserverteiler, dass er sich durch den Separator erstreckt, einen in der Oberfläche, in der der Oxidationsmittelgas-Strömungsweg ausgebildet ist, oberhalb eines untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers positionierten und kontinuierlich in einer Horizontalrichtung ausgebildeten ersten Wasserzuführweg, mehrere Verbindungslöcher, die in einem vorbestimmten Abstand von dem Wasserzuführweg so ausgebildet sind, dass sie mit den Brennstoffgas-Strömungswegen kommunizieren, und mehrere zweite Wasserzuführ-Strömungswege, die zwischen den Verbindungslöchern und dem ersten Wasserzuführweg so ausgebildet sind, dass die Verbindungslöcher mit dem ersten Wasserzuführweg kommunizieren können, und die Wasser in dem ersten Wasserzuführweg zu. den Verbindungslöchern leiten, umfasst.
Eine Erfindung gemäß einem dritten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst:
eine Membran-Elektrodenanordnung mit einer Protonenaustauschmembran und einer Brennstoffelektrode sowie einer Oxidationsmittelelektrode, die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran angeordnet sind, einen Separator, der, außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, mehrere Brennstoffgas-Strömungswege zum Zuführen eines Brennstoffgases, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, sowie einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases, der in einer Plattenoberfläche ausgebildet ist, die mit einer Oxidationsmittelelektrode einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung in Kontakt zu bringen ist, umfasst, und ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgas-Strömungswegen, wobei das Wasserzuführmittel einen in der Vertikalrichtung so ausgebildeten Wasserverteiler, dass er sich durch den Separator erstreckt, einen in der Oberfläche, in der der Oxidationsmittelgas-Strömungsweg ausgebildet ist, oberhalb eines untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers positionierten und kontinuierlich in einer Horizontalrichtung ausgebildeten dritten Wasserzuführweg, mehrere Verbindungslöcher, die in dem zweiten Wasserzuführweg so ausgebildet sind, dass der dritte Wasserzuführweg mit den Brennstoffgas-Strömungswegen kommunizieren kann, und mehrere vierte Wasserzuführwege, die in derjenigen Oberfläche des Separators, in der die Brennstoffgas-Strömungswege ausgebildet sind, ausgebildet sind und es den Verbindungslöchern ermöglichen, mit den Brennstoffgas-Zuführwegen zu kommunizieren, umfasst.
Bei den Erfindungen gemäß den ersten bis dritten Aspekten kann dem in der Horizontalrichtung ausgebildeten Wasserzuführweg zugeführtes Wasser den mehreren Brennstoffgas-Zuführwegen durch die mehreren in dem Wasserzuführweg ausgebildeten Verbindungslöcher zugeführt werden, so dass kein Wasser mehr in den Brennstoffgas-Zuführwegen verbleibt. Daher strömt in dem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack, das das Latentwärme-Kühlsystem verwendet, dem Brennstoffgas zugeführtes Wasser gleichmäßig, jede Elementarzelle hat eine gleichmäßige Spannungsverteilung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, und eine stabile Stromerzeugung kann ungeachtet eines Aktivierungs-/Stoppvorgangs oder der Installationsbedingungen, wie z.B. dem Installationswinkel (Neigung) oder von Vibrationen durchgeführt werden.
Eine Erfindung gemäß dem vierten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack gemäß einem der ersten bis dritten Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner Kapillarität erzeugendes Mittel zum Erzeugen einer Antriebskraft, wenn Wasser in dem Wasserzuführweg in die Verbindungslöcher strömt, umfasst.
Eine Erfindung gemäß einem fünften Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack gemäß dem dritten Aspekt, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner in jedem der vierten Wasserzuführwege ein Kapillarität erzeugendes Mittel zum Erzeugen einer Antriebskraft, wenn Wasser von den Verbindungslöchern zu den Brennstoffgas-Strömungswegen strömt, umfasst.
Bei der Erfindung gemäß dem vierten oder fünften Aspekt ist das Kapillarität erzeugende Mittel ausgebildet. Demgemäß kann zusätzlich zu den Erfindungen entsprechend dem ersten bis dritten Aspekt eine stabilere Energieerzeugung ungeachtet des Stack-Installationswinkels durchgeführt werden.
Eine Erfindung gemäß einem sechsten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack gemäß einem der ersten bis fünften Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator mehrere in einem Gitter- oder Zick-Zack-Muster zwischen den Verbindungslöchern und den Brennstoffgas-Strömungswegen in derjenigen Oberfläche, in der die Brennstoffgas-Strömungswege ausgebildet sind, ausgebildete Vorsprünge umfasst.
In dem Stack gemäß der Erfindung entsprechend dem sechsten Aspekt kann das der Brennstoffzelle zugeführte Wasser gleichmäßig durch die Vorsprünge gemischt werden, so dass eine stabilere Energieerzeugung erfolgen kann. Eine Erfindung gemäß einem siebten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack gemäß einem der ersten bis sechsten Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des von dem Wasserverteiler abge zweigten Wasserzuführwegs von dem Wasserverteiler weg abnimmt.
Eine Erfindung gemäß einem achten Aspekt ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack gemäß einem der ersten bis siebten Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der einander benachbarten Verbindungslöcher das Vielfache eines Abstands der einander benachbarten Brennstoffgas-Strömungswege ist.
Die Erfindung gemäß dem siebten oder achten Aspekt erfüllt auch die gleichen Funktionen und Wirkungen wie die Erfindungen gemäß dem ersten bis dritten Aspekt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
2A und 2B Ansichten zur Erläuterung eines in 1 gezeigten Separators,
3A und 3B Ansichten zur Erläuterung eines Separators eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4A und 4B Ansichten zur Erläuterung eines Separators eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine Ansicht zur Darstellung eines Abschnitts von 4A in vergrößertem Maßstab, und
6 eine Längsschnittansicht zur Erläuterung eines Polymerelektrolyt-Brernstoffzellenstacks nach dem Stand der Technik.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Umrisses der Anordnung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform weist mehrere Elementarzellen-Hauptkomponenten 7 (ähnlich 6) auf, die in der gleichen Richtung nebeneinander angeordnet und miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind. Jede Elementarzellen-Hauptkomponente 7 umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung 23, einen Separator 5A und ein Wasserzuführmittel.
Ähnlich der 6 wird die Membran-Elektrodenanordnung 23 durch Ausbilden einer Brennstoffelektrode 2a und einer Oxidationsmittelelektrode 1b auf bzw. an den entgegengesetzten Plattenoberflächen einer Protonenaustauschmembran 1 erhalten.
Der Separator 5A ist gemäß den 2A und 2B ausgebildet. Die 2A und 2B sind Vorderansichten zur Darstellung einer Plattenoberfläche (einer Oberfläche, mit der die in 6 gezeigte Brennstoffelektrode 2a in Kontakt kommt), bzw. der anderen Plattenoberfläche (einer Oberfläche, mit der die in 6 gezeigte Oxidationsmittelelektrode 2b in Kontakt kommt) eines Separators 5A.
In dem Separator 5A, außer bei dem am Endabschnitt in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, sind mehrere Brennstoffgas-Strömungswege 11 zum Zuführen eines Brennstoffgases im wesentlichen linear in der Vertikalrichtung in der mit der Brennstoffelektrode 2a in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet.
Ferner sind in dem Separator 5A mehrere Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases in der mit der Oxidationsmittelelektrode 1b einer benachbarten Membran-Elektrodenanordnung 23, die sich von Membran-Elektrodenanordnung 23 unterscheidet, in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet.
Das Wasserzuführmittel kühlt jede Elementarzellen-Hauptkomponente 7 durch ein Latentwärme-System, in dem jedem Brennstoffgas-Strömungsweg 11 Wasser zugeführt wird. Dieses Wasserzuführmittel besteht aus einem Wasserverteiler 17, der in der Vertikalrichtung durch jeden Separator 5A hindurch ausgebildet ist, einem Wasserzuführweg (in dieser Ausführung mehrere geradlinig bzw. lineare Gräben) 18, der bzw. die in der Oberfläche, in der die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet sind, oberhalb des untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers 17 und kontinuierlich in der Horizontalrichtung ausgebildet ist bzw. sind, sowie mehreren in dem Wasserzuführweg 18 so ausgebildeten Verbindungslöchern 14, dass dieser mit den Brennstoffgas-Zuführ- bzw. Strömungswegen 11 kommunizieren kann.
Die Brennstoffgas-Strömungswege 11 sind in einem zentralen Abschnitt, außer am Umfang einer Plattenoberfläche des Separators 5A, ausgebildet. Beispielsweise sind die Brennstoffgas-Strömungswege 11 Gräben, die linear in der Vertikalrichtung mit einem Anordnungsabstand von beispielsweise 3 mm ausgebildet sind. Auch die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 sind in einem zentralen Abschnitt, außer am Umfang der anderen Plattenoberfläche des Separators 5A, ausgebildet. Beispielsweise sind die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 Gräben, die im wesentlichen zu einer Z-Form in der Vertikalrichtung ausgebildet sind.
Der horizontale Wasserzuführweg 18 ist oberhalb der Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 in der anderen Plattenoberfläche des Separators 5A ausgebildet. Außerdem sind mehrere Verbindungslöcher 14 in gleichen Intervallen in dem Wasserzuführweg 18 so ausgebildet, dass sie mit einem Brennstoffgas-Strömungsweg-Einleitabschnitt 15 als dem oberen Abschnitt der Brennstoffgas-Strömungswege 11 kommunizieren. Jedes Verbindungsloch 14 ist über dem untersten Abschnitt in der Vertikalrichtung des später zu beschreibenden Wasserverteilers 17 vorhanden.
Als Verbindungslöcher 14 sind mehrere, z.B. zwanzig Löcher mit einem jeweiligen Durchmesser von 5 mm oder weniger (außer 0) in einem Anordnungsabstand ausgebildet, der das Vielfache der Anordnungsabstände der Brennstoffgas-Strömungswege 11 beträgt, z.B. einem Anordnungsabstand von 6 mm.
In derjenigen Plattenoberfläche jedes Separators 5A, in der die Brennstoffgas-Strömungswege 11 ausgebildet sind, sind mehrere Vorsprünge (Rippen) 16 in einem Gitter- oder Zick- Zack-Muster in gleichen Intervallen zwischen den Verbindungslöchern 14 und den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 ausgebildet.
Auf einer und der anderen Seite in der Horizontalrichtung des Umfangs jedes Separators 5A sind ein Brennstoffgas-Einlassgasverteiler 12 und ein Brennstoffgas-Auslassgasverteiler 13 so ausgebildet, dass sie sich durch diese Seitenabschnitte in der Dickenrichtung erstrecken.
Auf einer Seite in der Vertikalrichtung des Umfangs jedes Separators 5A sind der Wasserverteiler 17 und Oxidationsmittelgas-Auslassgasverteiler 21 ausgebildet. Ferner sind an den oberen und unteren Abschnitten auf der anderen Seite in der Vertikalrichtung des Umfangs jedes Separators 5A Oxidationsmittelgas-Euslassgasverteiler 20 ausgebildet.
An den entgegengesetzten Plattenoberflächen des Separators 5A ist eine Dichtung 22 zum Abdichten um die Verteiler 12, 13, 17, 20 und 21, die Brennstoffgas-Strömungswege 11 und die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet.
Bei dieser Anordnung verzweigt ein Oxidationsmittelgas in der Richtung einer Ebene von dem Oxidationsmittelgas-Einlassgasverteiler 20 und strömt anschließend in dem Oxidationsmittelgas-Strömungswegen 19 in der Ebene, um den Oxidationsmittelgas-Auslassgasverteiler 21 zu erreichen. Die Wirkfläche der Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19, z.B. die Fläche eines Abschnitts, der in elektrischem Kontakt mit der Membran-Elektrodenanordnung kommt, beträgt 288 cm².
In der ersten oben beschriebenen Ausführungsform wird Wasser (reines Wasser) von dem Wasserverteiler 17 dem in der Horizontalrichtung im Separator 5A ausgebildeten Wasserzuführweg 18 zugeführt. Dieses dem Wasserzuführweg 18 zugeführte Wasser wird dem Brennstoffgas-Strömungsweg-Einleitabschnitt 15 über die mehreren in dem Wasserzuführweg 18 ausgebildeten Verbindungslöcher zugeleitet. Das dem Brennstoffgas-Strömungsweg-Einleitabschnitt 15 zugeleitete Wasser fällt von der Oberseite zur Unterseite der mehreren Brennstoffgas-Strömungswege 11.
Bei dieser Struktur, wie sie oben beschrieben wurde, kann Wasser in der gleich Horizontalposition (auf der gleichen Horizontalebene) den einzelnen Brennstoffgas-Strömungswegen 11 zugeführt werden, und es verbleibt kein Wasser in diesen Brennstoffgas-Strömungswegen.
Demgemäß strömt in dem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapel, der das Latentwärme-Kühlsystem verwendet, dem Brennstoffgas zugeführtes Wasser gleichmäßig, jede Elementarzelle hat gleichmäßige Befeuchtungsbedingungen, eine gleichmäßige Spannungsverteilung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, und es kann eine stabile Energieerzeugung ungeachtet eines Aktivierungs-/Stoppvorgangs oder der Installationsbedingungen, beispielsweise dem Stack-Installationswinkel (Neigung) oder von Vibrationen durchgeführt werden. Das Vorstehende geht auch aus den folgenden Testergebnissen hervor.
Mehrere, z.B. 200 Elementarzellen-Hauptkomponenten 7, von denen jede eine Membran-Elektrodenanordnung 23 aufwies, die durch Ausbilden einer Brennstoffelektrode 2a und einer Oxidationsmittelelektrode 2b auf den entgegengesetzten Plattenoberflächen einer Protonenaustauschmembran (1 in 6) erhalten wurde, und eines Separators 5A, in dem Brennstoffgas-Strömungswege 11 in einer mit der Brennstoffelektrode 2a der Membran-Elektrodenanordnung 23 in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet wurden, und in dem Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 in einer mit der Oxidationsmittelelektrode 2b einer benachbarten, sich von der Membran-Elektrodenanordnung 23 unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet wurden, wurden erstellt. Ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapel wurde versuchsweise durch mechanisches Nebeneinanderpositionieren der Elementarzellen-Hauptkomponenten 7 in der gleichen Richtung und elektrisches Verbinden der Elementarzellen-Hauptkomponenten 7 in Reihe miteinander hergestellt. Ein Energieerzeugungstest wurde durchgeführt, indem dieser Stack horizontal aufgestellt wurde.
Die Standard-Betriebsbedingungen wurden so eingestellt, dass Reaktionsmittelgase Wasserstoffgas/-luft waren, der Reaktionsmittelgasdruck 1 ata betrug, die Stromdichte 0,2A/cm² betrug, die Brennstoffgasnutzung (Uf) 70% betrug, und die Oxidationsmittelgases (Uox) 40% betrug. Außerdem wurde ein Stack-Aktivierungs-/Stoppvorgang drei mal alle zwei Stunden wiederholt.
Die Spannung der 200 Elementarzelleen war eine Durchschnittsspannung ± 1% oder weniger.
Ferner wurde die Temperatur durch Einführen eines Thermoelements in einen zentralen Abschnitt der Membran-Elektrodenanordnung 23 auf der Oxidationsmittelelektrodenseite jeder der Nummern 1, 10, 20, 30,... 190 und 200 gemessen. Infolgedessen war die Temperatur eine Durchschnittstemperatur ± 1% oder weniger in allen Elementarzelleen. Ferner war auch dann, wenn der Aktivierungs-/Stoppvorgang wiederholt wurde, die Stack-Spannung reproduzierbar und stabil.
Außerdem konnte Wasser dem Brennstoffgas auf der gleichen Horizontalebene zugeführt werden, und es verblieb ((kein Wasser??, Diktierlücke)) auch nach Wiederholung des Stack-Aktivierungs-/Stoppvorgangs in den Brennstoffgas-Strömungswegen, so dass das Brennstoffgas und Wasser gleichmäßig in den Brennstoffgas-Strömungswegen vermischt wurden.
Ferner strömte auch bei Wiederholung des Stack-Aktivierungs-/Stoppvorgangs dem Brennstoffgas zugeführtes Wasser gleichmäßig, so dass jede Elementarzelle eine gleichmäßige Spannungsverteilung und Temperaturverteilung aufwies und die Spannung reproduzierbar und stabil war.
Da auch der Durchmesser jedes Verbindungslochs 14 0,5 mm oder weniger (außer 0) beträgt, wird ein Druckverlust, der erforderlich ist, um eine gleichmäßiges Strömen von Wasser zu den Verbindungslöchern 14 herzustellen, in jedem Verbindungsloch 14 erhalten. Daher wird die dem Brennstoffgas zuzuführende Wassermenge gleichmäßiger. Infolgedessen strömt in dem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack, der das Latentwärme-Kühlsystem verwendet, dem Brennstoffgas zugeführtes Wasser gleichmäßig, jede Elementarzelle hat gleichmäßige Be feuchtungsbedingungen, eine gleichmäßige Spannungsverteilung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, und es kann eine stabile Energieerzeugung ungeachtet eines Aktivierungs-/Stoppvorgangs oder Installationsbedingungen, beispielsweise dem Stack-Installationswinkel (Neigung) oder Vibrationen durchgeführt werden.
Ferner sind die in einem Gitter- oder Zick-Zack-Muster angeordneten Vorsprünge 16 in denjenigen Seitenfläche n der Brennstoffgas-Strömungswege 11 ausgebildet, die unter den Verbindungslöchern 14 in der Vertikalrichtung positioniert sind. Demgemäß wird in dem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack, das das Latentwärme-Kühlsystem verwendet, dem Brennstoffgas zugeführtes Wasser gleichmäßig gemischt.
Ferner ist der Anordnungsabstand der Verbindungslöcher 14 das Vielfache des Anordnungsabstands der Brennstoffgas-Strömungswege 11. Dies verbessert das Gleichgewicht von Strömungen des Brennstoffgases und des Wassers in den Brennstoffgas-Strömungswegen, in dem das Latentwärme-Kühlsystem verwendenden Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack.
(Zweite Ausführungsform)
3 ist eine Ansicht zur Darstellung eines Separators zur Erläuterung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstacks gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich den 2A und 2B sind die 3A und 3B Vorderansichten zur Darstellung einer Plattenoberfläche (einer Oberfläche, in der Brennstoffgas-Strömungswege 11 ausgebildet sind) bzw. der anderen Plattenoberfläche (einer Oberfläche, in der Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet sind) eines Separators 5A.
Diese Ausführungsform ist die gleiche wie in 2 gezeigte Ausführungsform insofern, als mehrere Brennstoffgas-Strömungswege 11, die in einer Plattenoberfläche jedes Separators 5A ausgebildet sind, im wesentlichen in der Vertikalrichtung geradlinig bzw. linear gestaltet sind und sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform in folgender Hinsicht unterscheiden.
Das heißt, eine Anordnung, welche Wasser den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 zuführen kann, umfasst einen Wasserverteiler 17, der sich durch jeden Separator 5A erstreckend ausgebildet ist, einen ersten Wasserzuführweg 18a, der in der Oberfläche, in der die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet sind, oberhalb dem untersten Abschnitt in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers 17 und in der Horizontalrichtung ausgebildet positioniert sind, mehrere in gleichen Intervallen mit einer vorbestimmten Beabstandung von dem Wasserzuführweg 18a so ausgebildete Verbindungslöcher, dass sie mit den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 kommunizieren, und mehrere zweite Wasserzuführ-Strömungswege 24, die zwischen den Verbindungslöchern 14 und dem Wasserzuführweg 18a so ausgebildet sind, dass sie den Verbindungslöchern 14 gestatten, mit dem Wasserzuführweg 18a zu kommunizieren, und die Wasser in dem Wasserzuführweg 18a zu den Verbindungslöchern 14 leiten.
Bei diesem Aufbau nimmt die Querschnittsfläche, z.B. die Grabenbreite des Wasserzuführwegs 18a von dem Verteiler 17 aus ab. Die restliche Anordnung ist die gleiche wie die in 2 gezeigte.
Diese Anordnung gestaltet die Druckverteilung in dem Wasserzuführweg 18a gleichmäßiger als bei der in 2 gezeigten Ausführungsform, so dass die Wasserströmung aus jedem Verbindungsloch 14 zum Brennstoffgas gleichmäßiger wird.
Genauer gesagt beträgt der Anordnungsabstand der Brennstoffgas-Strömungswege 11 beispielsweise 3 mm und die Anzahl von Brennstoffgas-Strömungswegen 11 beträgt 40. Jeder Brennstoffgas-Strömungswege 11 ist linear (geradlinig bzw. lineare Strömung) in der Vertikalrichtung und erstreckt sich von einem Brennstoffgas-Einlassgasverteiler 12 im oberen Abschnitt zu einem Brennstoffgas-Auslassgasverteiler 13 in dem unteren Abschnitt.
Der Anordnungsabstand der Verbindungslöcher 14 beträgt das Vielfache des Anordnungsabstands der Brennstoffgas- Strömungswege 11, z.B. 6 mm, die Anzahl von Verbindungslöchern 14 beträgt 20 und der Durchmesser des Lochs beträgt 0,5 mm. Die Verbindungslöcher 14 sind in einem Brennstoffgas-Strömungsweg-Einleitabschnitt 15 horizontal angeordnet.
Um eine Kapillarkraft durch Kapillarwirkung zu erzeugen, beträgt ein typischer Durchmesser jedes Wasserzuführ-Strömungswegs 24 0,2 mm. Diese durch jeden Wasserzuführ-Strömungsweg 24 erzeugte Kapillarkraft funktioniert so, dass sie in den Wasserzuführweg 18a eingefülltes Wasser zum Verbindungsloch 14 hin treibt.
Mehrere Vorsprünge 16 sind in einem Gitter- oder Zick-Zack-Muster unterhalb der Verbindungslöcher 14 und zwischen den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 ausgebildet, so dass den dem Brennstoffgas zugeführtes Wasser gleichmäßig gemischt wird.
Der Wasserzuführweg 18a, der horizontal von dem oberen Abschnitt des Wasserverteilers 17 verzweigt ist, ist in der gleichen Ebene wie die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet und mit den Verbindungslöchern 14 über 20 Wasserzuführ-Strömungswege 24 verbunden. Der typische Durchmesser der Wasserzuführ-Strömungswege 24 beträgt 0,2 mm, und in den Wasserzuführweg 18a eingefülltes Wasser bewegt sich durch die Kapillarkraft zu den Verbindungslöchern 14. Die Breite des Wasserzuführweg 18a nimmt von dem Wasserverteiler 17 an ab. Ferner verzweigt sich ein Oxidationsmittelgas in der Richtung der Ebene von den Oxidationsmittelgas-Einlassgasverteilern 20, strömt im Zick-Zack in der Vertikalrichtung in den Oxidationsmittelgas-Strömungswegen 19 in der Ebene und erreicht einen Oxidationsmittelgas-Auslassgasverteiler 21. Eine effektive Querschnittsfläche als ein Abschnitt, in dem Gas-Strömungswege ausgebildet sind, und der mit einer Membran-Elektrodenanordnung in Kontakt gebracht wird, beträgt 288 cm². Ferner ist eine Dichtung 22 um die Verteiler, den wirksamen Abschnitt und einen Außenformabschnitt herum ausgebildet und mit dem Separator integriert.
Ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit einem repetitiven Aufbau, bei dem die Separatoren und Schichtelektroden-Verbundkörper 23 (nicht dargestellt, Elektrodenbereich = 288 cm²) einander benachbart waren und die Anzahl von Schichtelektroden-Verbundkörpern 23 (die Anzahl von Elementarzelleen) 200 betrug, wurde versuchsweise hergestellt. Ein Energieerzeugungstest wurde durch Installieren des Stacks unter einem Installationswinkel von etwa 10 Grad von der Horizontalrichtung durchgeführt. Die Standard-Betriebsbedingungen wurden so eingestellt, dass Reaktionsmittelgase Wasserstoffgas/-luft waren, der Reaktionsmittelgasdruck 1 ata betrug, die Stromdichte 0,2 A/cm² betrug, die Brennstoffgasnutzung (Uf) 70% betrug und die Oxidationsmittelgasnutzung (Uox) 40% betrug.
Die Spannung der 200 Elementarzelleen war eine Durchschnittspannung ± 1% oder weniger. Ferner wurde die Temperatur durch Einsetzen eines Thermoelements in einen Zentralabschnitt der Membran-Elektrodenanordnung 23 auf der Oxidationsmittel-Elektrodenseite jeder der Nummern 1, 10, 20, 30,..., 190 und 200 gemesssen. Infolgedessen war die Temperatur eine Durchschnittstemperatur ± 1% oder weniger in allen Elementarzelleen. Außerdem war die Spannung ungeachtet des Stack-Installationswinkels stabil.
Wie oben beschrieben wurde, konnte Wasser dem Brennstoffgas durch wirksame Nutzung der Kapillarität in den Wasserzuführ-Strömungswegen 24 ungeachtet des Stack-Installationswinkels zugeführt werden, und es verblieb keine Wasser in den Brennstoffgas-Strömungswegen. Ferner wurden das Brennstoffgas und Wasser in den Brennstoffgas-Strömungswegen gleichmäßig vermischt, und dies gestaltete die Druckverteilung in dem Wasserzuführweg 18 gleichmäßiger. Infolgedessen hatte jede Elementarzelle gleichmäßige Befeuchtungsbedinungen, eine gleichmäßige Spannungsverteilung, und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, so dass eine stabile Energieerzeugung möglich war.
Die oben beschriebene zweite Ausführungsform (die in 3 gezeigte Anordnung) kann auf die gesamte, vorstehend beschriebene erste Ausführungsform angewandt werden.
(Dritte Ausführungsform)
4 ist eine Ansicht zur Darstellung eines Separators zur Erläuterung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapels gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich den 2A und 2B sind die 4A und 4B Vorderansichten zur Darstellung einer Plattenoberfläche (einer Oberfläche, in der Brennstoffgas-Strömungswege 11 ausgebildet sind) bzw. der anderen Plattenoberflächen (einer Oberfläche, in der Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet sind) eines Separators 5A.
5 ist eine Vorderansicht zur Darstellung eines Abschnitts von 4A in vergrößertem Maßstab.
Diese Ausführungsform ist die gleiche wie in 2 gezeigte Ausführungsform, insofern, als mehrere Brennstoffgas-Strömungswege 11, die in einer Plattenoberfläche jedes Separators 5A ausgebildet sind, im wesentlichen geradlinig bzw. linear in der Vertikalrichtung gestaltet sind und sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform in der folgenden Hinsicht unterscheiden.
Das heißt, eine Anordnung, die in der Lage ist, den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 Wasser zuzuführen, umfasst einen Wasserverteiler 17, der sich durch jeden Separator 5A erstreckend ausgebildet ist, einen dritten Wasserzuführweg 18b, der in der Oberfläche, in der die Oxidationsmittelgas-Strömungswege 19 ausgebildet sind, oberhalb dem untersten Abschnitt in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers 17 und in der Horizontalrichtung ausgebildet sind, mehrere in gleichen Intervallen in dem Wasserzuführweg 18b ausgebildete Verbindungslöcher 14, um es dem Wasserzuführweg 18b zu ermöglichen, mit den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 zu kommunizieren, und mehrere vierte Wasserzuführ-Strömungswege 25, die in derjenigen Oberfläche des Separators 5A ausgebildet sind, in der die Brennstoffgas-Strömungswege 18 ((18 diktiert???, sollte 11 sein)) ausbildet sind, um es den Verbindungslöchern 14 zu ermöglichen, mit den Brennstoffgas- Strömungswegen 11 zu kommunizieren. In diesem Aufbau ist die vorstehende Querschnittsform des vierten Wasserzuführwegs 25, beispielsweise zu einer verformten U-Form geformt. Dies ist äquivalent zu der Ausbildung von Gräben in der Plattenoberflächen des Separators 5A.
Mehrere Vorsprünge 16 sind in einem Gitter- oder Zick-Zack-Muster zwischen einer Position etwa z.B. 2 cm unter den Verbindungslöchern 14 und den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 so ausgebildet, dass jedem Verbindungsloch 14 zugeführtes Wasser gleichmäßig mit dem Brennstoffgas vermischt wird. Die restliche Anordnung ist die gleiche wie die in 2 gezeigte.
Genauer gesagt beträgt der Anordnungsabstand der Brennstoffgas-Strömungswege 11 beispielsweise 3 mm, und die Anzahl von Brennstoffgas-Strömungswegen 11 beträgt 40. Jeder Brennstoffgas-Strömungsweg 11 weist eine geradlinig bzw. lineare Strömung in der Vertikalrichtung auf und erstreckt sich von einem Brennstoffgas-Einlassgasverteiler 12 im oberen Abschnitt zu einem Brennstoffgas-Auslassgasverteiler 13 im unteren Abschnitt.
Der Anordnungsabstand der Verbindungslöcher 14 beträgt 6 mm, die Anzahl von Verbindungslöchern 14 beträgt 20 und der Durchmesser der Verbindungslöcher 14 beträgt 0,5 mm. Die Verbindungslöcher 14 sind in einem Brennstoffgas-Strömungsweg-Einleitabschnitt 15 horizontal angeordnet.
Ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit einem repetitiven Aufbau von Elementarzellen-Hauptkomponenten, in denen die Separatoren 5A mit der obigen Anordnung und Schichtelektroden-Verbundkörper 23 (nicht dargestellt), Elektrodenfläche = 288 cm² einander benachbart waren, und in der die Schichtelektroden-Verbundkörpern 23 (die Anzahl von Elementarzelleen), wie sie in 1 dargestellt sind, 200 betrug, wurde versuchsweise hergestellt. Ein Energieerzeugungstest wurde durchgeführt, in dem der Stack horizontal installiert wurde. Die Standard-Betriebsbedingungen wurden so eingestellt, dass Reaktionsmittelgase Wasserstoffgas/-luft waren, der Reaktionsgasdruck 1 ata betrug, die Stromdichte 0,2 A/cm², die Brennstoffgasnutzung (Uf) 70% betrug und die Oxidationsmittelgasnutzung (Uox) 40%. Ferner wurden dem Stack intermittierend Vibrationen erteilt, und das Spannungsverhalten wurde überwacht.
Die Spannung der 200 Elementarzelleen war eine Durchschnittsspannung ± 1% oder weniger. Ferner wurde die Temperatur durch Einführen eines Thermoelements in einem zentralen Abschnitt der Membran-Elektrodenanordnung 23 auf der Oxidationsmittelelektrodenseite jeder der Nummern 1, 10, 20, 30, ..., 190 und 200 gemessen. Infolgedessen war die Temperatur eine Durchschnittstemperatur ± 1% oder weniger in allen Elementarzelleen. Außerdem war die Stack-Spannung auch dann gleichmäßig, wenn intermittierende Vibrationen wiederholt wurden.
In der oben beschriebenen dritten Ausführungsform nahm bei Zufuhr von Wasser zu dem Brennstoffgas der Druckabfall in den vierten Wasserzuführwegen 25 zu, dem Stack vermittelte intermittierende Vibrationen hatten keinen Einfluss, und es verblieb kein Wasser in den Brennstoffgas-Strömungswegen. Das Brennstoffgas und Wasser wurden auch in den Brennstoffgas-Strömungswegen 11 vermischt.
Infolgedessen strömt Wasser, selbst wenn dem Stack intermittierend Vibrationen erteilt werden, gleichmäßig zu dem Brennstoffgas, und jede Elementarzelle hat gleichmäßige Befeuchtungsbedingungen, eine gleichmäßige Spannungsverteilung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, so dass eine stabile Energieerzeugung möglich ist.
(Vierte Ausführungsform)
In der vierten Ausführungsform wird ein Kapillarität erzeugendes Mittel, das beispielsweise aus einem hydrophilen porösen Material gefertigt ist, in den früher erläuterten, in 2 gezeigten Wasserzuführweg 18 eingefüllt. Die restliche Anordnung ist die gleiche wie die in 1 und 2 gezeigte.
Wenn bei dieser Anordnung dem Wasserzuführweg 18 zugeführtes Wasser zu den Verbindungslöchern 14 geleitet wird, wird die Strömung des Wassers durch eine durch das Kapillarität erzeugende Mittel erzeugte Kapillarität beschleunigt. Infolgedessen hat der Stack-Installationswinkel keinen Einfluss, es verbleibt kein Wasser in den Brennstoffgas-Strömungswegen, und Brennstoffgas und Wasser in den Brennstoffgas-Strömungswegen werden gleichmäßiger vermischt. Dies gestaltet die Druckverteilung in dem Wasserzuführweg 18 gleichmäßiger und ermöglicht eine stabilere Energieerzeugung.
Wenn das oben beschriebene Kapillarität erzeugende Mittel in den ersten Wasserzuführweg 18a gemäß 3 eingefüllt wird, in jeden zweiten Wasserzuführweg 24 gemäß 3, der über den zweiten Wasserzuführwegen 24 gemäß 3 so ausgebildet ist, dass er die zweiten Wasserzuführwege 24 bedeckt, in dem ersten Wasserzuführweg 18a eingefüllt wird, in den dritten Wasserzuführweg 18b gemäß 4 eingefüllt wird oder in jeden vierten Wasserzuführweg 25 gemäß 5 eingefüllt wird, kann die Kapillarität des Kapillarität erzeugenden Mittels wirksam genutzt werden, so dass die gleiche Wirkung, wie sie oben beschrieben wurde, erwartetet werden kann.
Modifikationen
Die Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt und kann wie folgt modifiziert werden.
Der Separator 5A der obigen Ausführungsformen ist ein integrierter Separator mit einer Oberfläche, in der die Brennstoffgas-Zuführwege 11 ausgebildet sind, und der anderen Oberfläche, in der die Oxidationsmittelgas-Zuführwege 19 ausgebildet sind. Es ist aber auch möglich, einen Abschnitt, in dem die Brennstoffgas-Zuführwege 11 ausgebildet sind, und einen Abschnitt, in dem die Oxidationsmittelgas-Zuführwege 19 ausgebildet sind, separat zu erstellen und diese Abschnitte aneinander zu heften oder diese Abschnitte einfach miteinander in Kontakt zu bringen.
Ferner sind in den zwischen den Schichtelektroden-Verbundkörpern 3 angeordneten Separatoren 5A die Brennstoffgas-Zuführwege 11 und die Oxidationsmittelgas-Zuführwege 19 gemäß
1 ausgebildet. Der Separator 5A, der am Endabschnitt angeordnet ist, wie beispielsweise ein Abschnitt, der dem Fall der Elementarzelle nahe kommt, ist natürlich entweder ein Separator, bei dem nur die Brennstoffgas-Zuführwege 11 ausgebildet sind, oder ein Separator, bei dem nur die Oxidationsmittelgas-Zuführwege 19 ausgebildet sind.
Ferner werden die Brennstoffgas-Zuführwege 11 und die Oxidationsmittelgas-Zuführwege 19, die in den Separator 5A in den obigen Ausführungsformen ausgebildet sind, erläutert, indem Gräben als Beispiel genommen werden, und die Wasserzuführwege 18, 18a, 18b, 24 und 25 werden erläutert, indem Gräben als Beispiel genommen werden. Jeder dieser Zuführwege kann aber auch ein Loch sein, ein ein poröses Material enthaltendes Loch als Druckminderungselement, ein Rohr oder ein Brennstoffgas-Zuführweg oder Oxidationsmittelgas-Zuführweg, der durch Formen eines porösen Materials als Druckminderungselement in einem Rohr erhalten wird.
Von der in 3 gezeigten Anordnung ist eine Anordnung, bei der die Querschnittsfläche, z.B. die Breite von dem Wasserverteiler 17 an abnimmt, sowohl auf die erste als auch die dritte Ausführungsform anwendbar.
Ferner sind die obigen Ausführungsformen unter Annahme eines Beispiels erläutert, bei dem Wasser bei dem Brennstoffgas-Einleitabschnitt 15 als Brennstoffgas-Zuführwegen 11 zugeführt wird. Die Position der Wasserzufuhr kann aber auch in der Mitte der Brennstoffgas-Zuführwege 11 sein.
Ferner sind in den obigen Ausführungsformen die mehreren, in dem Separator 5A ausgebildeten Verbindungslöcher 14 in gleichen Intervallen als beste Ausführungsform angeordnet. Die Intervalle müssen jedoch nicht immer gleiche Intervalle sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Hauptkörper und das Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem der Erfindung können auch als verschiedene Energieversorgungseinrichtungen benutzt werden, z.B. zur Fahrzeugenergieversorgung und zur stationären Energie versorgung.
Zusammenfassung
In einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack, der ein Latentwärme-Kühlsystem verwendet, sind mehrere Brennstoffgas-Strömungswege (11), die in einer Plattenoberfläche jedes Separators (5A) ausgebildet sind, im wesentlichen geradlinig bzw. linear bzw. linear in der Vertikalrichtung gestaltet, und eine Anordnung, die den Brennstoffgas-Strömungswegen (11) Wasser zuführen kann, umfasst einen Wasserverteiler (17), der so ausgebildet ist, dass er sich durch den Separator (5A) erstreckt, einen von dem Wasserverteiler (17) abgezweigten und in einer Oberfläche, in der die Oxidationsmittelgas-Strömungswege (19) ausgebildet sind, horizontal ausgebildeten Wasserzuführweg (18) sowie in einem Brennstoffgas-Strömungsweg-Einleitabschnitt (15) horizontal so ausgebildete Verbindungslöcher (14), dass der Wasserzuführweg (18) mit dem Brennstoffgas-Zuführwegen (11) kommunizieren kann, und die über dem untersten Abschnitt in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers (17) vorhanden sind. Mit dieser Anordnung kann eine stabile Energieerzeugung durchgeführt werden, ungeachtet von z.B. dem Stack-Installationswinkel oder von Vibrationen.

Claims

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst: eine Membran-Elektrodenanordnung (23) mit einer Protonenaustauschmembran (1) und einer Brennstoffelektrode (2a) sowie einer Oxidationsmittelelektrode (1b), die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran (1) angeordnet sind, einen Separator (5A), der, außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, mehrere Brennstoffgas-Strömungswege (11) zum Zuführen eines Brennstoffgases, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode (2a) in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, sowie einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases, der in einer Plattenoberfläche ausgebildet ist, die mit einer Oxidationsmittelelektrode (1b) einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung (23) unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung (23) in Kontakt zu bringen ist, umfasst, und ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgas-Strömungswegen (11), wobei das Wasserzuführmittel einen in der Vertikalrichtung so ausgebildeten Wasserverteiler (17), dass er sich durch den Separator (5A) erstreckt, einen in der Oberfläche, in der der Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) ausgebildet ist, oberhalb eines untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers (17) positionierten und kontinuierlich in einer Horizontalrichtung ausgebildeten Wasserzuführweg (18), sowie mehrere Verbindungslöcher (14), die in dem Wasserzuführweg (18) so ausgebildet sind, dass der Wasserzuführweg (18) mit den Brennstoffgas-Strömungswegen (11) kommunizieren kann, umfasst.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und in Reihe miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst: eine Membran-Elektrodenanordnung (23) mit einer Protonenaustauschmembran (1) und einer Brennstoffelektrode (2a) sowie einer Oxidationsmittelelektrode (1b), die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran (1) angeordnet sind, einen Separator (5A), der, außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, mehrere Brennstoffgas-Strömungswege (11) zum Zuführen eines Brennstoffgases, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode (2a) in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, und einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases, der in einer mit einer Oxidationsmittelelektrode (1b) einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung (23) unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung (23) in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet ist, umfasst, und ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgas-Strömungswegen (11), wobei das Wasserzuführmittel einen in der Vertikalrichtung so ausgebildeten Wasserverteiler (17), dass er sich durch den Separator (5A) erstreckt, einen in der Oberfläche, in der der Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) ausgebildet ist, oberhalb eines untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers (17) positionierten und kontinuierlich in einer Horizontalrichtung ausgebildeten ersten Wasserzuführweg (18a), mehrere Verbindungslöcher (14), die in einem vorbestimmten Abstand von dem Wasserzuführweg (18) so ausgebildet sind, dass sie mit den Brennstoffgas-Strömungswegen (11) kommunizieren, und mehrere zweite Wasserzuführ-Strömungswege (24), die zwischen den Verbindungslöchern (14) und dem ersten Wasserzuführweg (18a) so ausgebildet sind, dass die Verbindungslöcher (14) mit dem ersten Wasserzuführweg (18a) kommunizieren können, und die Wasser in dem ersten Wasserzuführweg (18a) zu den Verbindungslöchern (14) leiten, umfasst.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack mit mehreren Elementarzellen-Hauptkomponenten, die in der gleichen Richtung nebeneinander positioniert und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elementarzellen-Hauptkomponente umfasst: eine Membran-Elektrodenanordnung (23) mit einer Protonenaustauschmembran (1) und einer Brennstoffelektrode (2a) sowie einer Oxidationsmittelelektrode (1b), die an entgegengesetzten Plattenoberflächen der Protonenaustauschmembran (1) angeordnet sind, einen Separator (5A), der, außer bei den an Endabschnitten in der Richtung der Nebeneinanderpositionierung angeordneten, mehrere Brennstoffgas-Strömungswege (11) zum Zuführen eines Brennstoffgases, die im wesentlichen geradlinig bzw. linear bzw. linear in einer Vertikalrichtung in einer mit der Brennstoffelektrode (2a) in Kontakt zu bringenden Plattenoberfläche ausgebildet sind, sowie einen Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases, der in einer Plattenoberfläche ausgebildet ist, die mit einer Oxidationsmittel elektrode (1b) einer benachbarten, sich von der vorbestimmten Membran-Elektrodenanordnung (23) unterscheidenden Membran-Elektrodenanordnung (23) in Kontakt zu bringen ist, umfasst, und ein Wasserzuführmittel zum Kühlen der Elementarzellen-Hauptkomponente durch ein Latentwärme-System durch Zuführen von Wasser zu den Brennstoffgas-Strömungswegen (11), wobei das Wasserzuführmittel einen in der Vertikalrichtung so ausgebildeten Wasserverteiler (17), dass er sich durch den Separator (5A) erstreckt, einen in der Oberfläche, in der der Oxidationsmittelgas-Strömungsweg (19) ausgebildet ist, oberhalb eines untersten Abschnitts in der Vertikalrichtung des Wasserverteilers (17) positionierten und kontinuierlich in einer Horizontalrichtung ausgebildeten dritten Wasserzuführweg (18b), mehrere Verbindungslöcher (14), die in dem zweiten Wasserzuführweg (18b) so ausgebildet sind, dass der dritte Wasserzuführweg (18b) mit den Brennstoffgas-Strömungswegen (11) kommunizieren kann, und mehrere vierte Wasserzuführwege (25), die in derjenigen Oberfläche des Separators (5A), in der die Brennstoffgas-Strömungswege (11) ausgebildet sind, ausgebildet sind und es den Verbindungslöchern (14) ermöglichen, mit den Brennstoffgas-Zuführwegen (11) zu kommunizieren, umfasst.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein Kapillarität erzeugendes Mittel zum Erzeugen einer Antriebskraft, wenn Wasser in dem Wasserzuführweg (18, 18a, 18b) in die Verbindungslöcher (14) strömt, umfasst.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner in jedem der vierten Wasserzuführwege (25) ein Kapillarität erzeugendes Mittel zum Erzeugen einer Antriebskraft, wenn Wasser von den Verbindungslöchern (14) in die Brennstoffgas-Strömungswege (11) strömt, umfasst.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (5A) mehrere in einem Gitter- oder Zickzack-Muster zwischen den Verbindungslöchern (14) und den Brennstoffgas-Strömungswegen (11) in derjenigen Oberfläche, in der die Brennstoffgas-Strömungswege (11) ausgebildet sind, ausgebildete Vorsprünge umfasst.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des von dem Wasserverteiler (17) abzweigenden ersten Wasserzuführwegs (18) von dem Wasserverteiler (17) weg abnimmt.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der einander benachbarten Verbindungslöcher (14) das Vielfache eines Abstands der einander benachbarten Brennstoffgas-Strömungswege (11) ist.