-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und insbesondere
auf einen zwischen Einzelzellen einer Brennstoffzelle liegenden
Separator.
-
Es
gibt verschiedene Bauarten an Brennstoffzellen, von denen eine Bauart
eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist, die sich aufgrund ihrer
geringen Größe, die
durch eine geringe Reaktionstemperatur ermöglicht wird, besonders gut
zur Verwendung in Fahrzeugen eignet. Diese Brennstoffzellenbauart basiert
auf Membran-Elektroden-Einheiten
(MEA), von denen jede eine Polymerelektrolytmembran enthält, die
zwischen zwei Gasdiffusionselektroden liegt (von denen jede eine
Katalysatorschicht und eine poröse
Trägerschicht
(d.h. eine Gasdiffusionsschicht enthält)). Auf der Außenseite
jeder Membran-Elektroden-Einheit
ist ein Separator angeordnet, der auch als ein Zufuhrkanal für Reaktionsgase
wie Wasserstoff (d.h. das Brennstoffgas) und Sauerstoff (d.h. das Oxidationsgas)
dient. Der Separator dient nicht nur als eine undurchlässige Barriere
für die
Reaktionsgase, sondern auch als ein Stromabnehmer, um den erzeugten
elektrischen Strom nach außen
abzuführen. Die
MEA und der Separator bilden zusammen eine Brennstoffzelleneinheit.
In der Praxis sind in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle viele
dieser Brennstoffzelleneinheiten in Reihe zusammengestapelt, um
ein Zellenmodul zu bilden.
-
Damit
bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen ein ausreichender Stromerzeugungswirkungsgrad beibehalten
wird, muss die Elektrolytmembran ausreichend feucht gehalten werden.
Da im Allgemeinen die Feuchtigkeit von dem durch die elektrolytische Reaktion
erzeugten Wasser allein nicht ausreicht, muss für einen Mechanismus gesorgt
werden, der jeder MEA Befeuchtungswasser zuführt. Außerdem entsteht durch die elektrolytische
Reaktion Wärme
in einer Menge, die im Großen
und Ganzen dem erzeugten Strom entspricht, sodass ein Kühlmechanismus
verwendet werden muss, um zu verhindern, dass sich die Brennstoffzelle
selbst zu sehr erhitzt.
-
Für diesen
Kühlmechanismus
schlägt
die Anmelderin eine Technologie vor, bei der Befeuchtungswasser
in einem Nebelzustand mit dem der Luftelektrode zuzuführenden
Reaktionsgas gemischt wird, sodass es der Gasdiffusionselektrode
zusammen mit dem Reaktionsgas zugeführt wird. In dem Versuch, die
Herstellbarkeit des Separators zu verbessern und die Brennstoffzelle
dünner
zu machen, setzt diese Technologie einen Aufbau ein, bei dem der
Separator eine gewellte (d.h. wellige) dünne Metallplatte ist, die in
einem Abschnitt auf halbem Weg zwischen den Bergen und Tälern in
der gewellten Platte mit Luftlöchern
versehen ist. Das Reaktionsgas und das Befeuchtungswasser, das durch
die von dem Separator stammende Hitze verdampft wird, werden dann
durch diese Luftlöcher
den Gasdiffusionselektroden zugeführt. Bei diesem Aufbau lässt sich
die Verdampfung des Befeuchtungswasser innerhalb der Gaszuführungsdurchlässe auch
zur Latentwärmekühlung verwenden.
-
Die
JP 2002-184422 A offenbart ein Beispiel aus dem Stand der Technik,
in dem ein Separator einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle aus
einer dünnen
Metallplatte besteht. Diese Technologie zielt darauf ab, durch Einsatz
eines Aufbaus, bei dem in einer als Separator dienenden Metallplatte
regelmäßig parallele
Schlitze ausgebildet sind, im Anschluss an das sich Setzen der Gasdiffusionselektroden
den Kontaktdruck zu bewahren. Die Abschnitte zwischen benachbarten
Schlitzen werden dann so gebogen, dass das Metallblech eine wellige
Form mit versetzten Phasen hat und daher elastisch ist. Die durch
die versetzten Phasen zwischen den Wellen erzeugten Einschnitte
dienen als Luftlöcher.
-
Darüber hinaus
schlägt
die JP 7-254424 A eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle vor, die
einer anderen Bauart als der oben beschriebenen Bauart entspricht,
bei der die Stromabnahme- bzw. Kollektorplatte (d.h. der Separator)
aus einer gewellten dünnen
Platte gebildet ist und bei der auf der Seite, die sich mit der
Anode oder der Kathode in Kontakt befindet, durch die dünne Platte
am Kopfabschnitt eine Vielzahl von Löchern hindurchgeht.
-
Bei
der in der JP 2002-184422 A offenbarten Technologie verringert sich
der Luftstrom, wenn der Abstand der Wellen verkleinert wird, um
die Kontaktfläche
sicherzustellen, während
sich umgekehrt die Kontaktfläche
verringert, wenn der Abstand der Wellen vergrößert wird, um den Luftstrom
sicherzustellen. Es wird daher als schwierig angesehen, gleichzeitig
sowohl die Kontaktfläche
als auch den Luftstrom sicherzustellen. Um die Durchgangsfläche sicherzustellen,
müssen
die Wellen außerdem
eine gewisse Mindesthöhe
haben, wobei angesichts der Sicherstellung des Kontaktdrucks der
Abstand der Wellen groß sein
sollte.
-
Da
bei dem Aufbau der verwandten, in der JP 7-254424 A offenbarten
Technologie die Löcher zur
Gaszufuhr lediglich am Kopfabschnitt der dünnen Kollektorplatte vorgesehen
sind, der sich mit der Anode oder Kathode in Kontakt befindet, erfolgt
die Fertigung zum Öffnen
der Löcher
in der Kollektorplatte am Kopfabschnitt der Wellen, der ungefähr nur einige Millimeter
breit ist, was als ein schwieriger Vorgang angesehen wird, der äußerstes Geschick
erfordert.
-
Außerdem kann
dieser Aufbau, bei dem die Löcher
wie zuvor beschrieben lediglich am Kopfabschnitt der Wellen vorgesehen
werden, zwar problemlos bei einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle Anwendung
finden, in der es auf den Elektroden keine Diffusionsschicht gibt,
doch führt
der gleiche Aufbau zu Problemen, wenn er bei einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
Anwendung findet, bei der auf den Elektroden eine Diffusionsschicht
vorgesehen ist. Und zwar müssen
die Löcher
in diesem Aufbau von dem gekrümmten
Abschnitt der Wellen weg um ein gewissen Maß in Breitenrichtung zur Innenseite
des Kopfabschnitts hin positioniert werden. Dadurch kann das Öffnungsverhältnis in
einigen Bereichen entlang des gekrümmten Abschnitts, insbesondere
in einigen Bereichen der Kontaktfläche, die die Anode oder Kathode
berühren,
eingeschränkt
sein, sodass die Diffusion des zugeführten Gases mit Blick auf die gesamte
Kontaktfläche
ungleichmäßig ist.
Darüber hinaus
wäre, wenn
die zuvor von der Anmelderin vorgeschlagene Technologie (d.h. das
Mischen und Zuführen
von Reaktionsgas und Kühlwasser)
bei dieser Technologie Anwendung fände, die Kühlung ungleichmäßig, die
Membranbefeuchtung ungleichmäßig und
außerdem
die Gaszufuhr durch eine Kühlwasserverstopfung
ungleichmäßig. Es
bestehen somit Probleme hinsichtlich der allgemeinen Anwendbarkeit
der in der JP 7-254424 A offenbarten Technologie bei anderen Brennstoffzellenbauarten.
-
Außerdem muss
bei einem Aufbau, bei dem der Kontakt wie oben beschrieben durch
eine Oberfläche
mit einem kleinem Öffnungsverhältnis (eine Oberfläche mit
großem
Flächeninhalt)
erfolgt, die Kontaktfläche äußerst flach
sein, sonst nimmt die tatsächliche
Stromabnahmefläche
aufgrund lediglich lokalen Kontakts ab, was zu einem höheren Stromabnahmewiderstand
führen
würde.
-
Angesichts
der vorstehenden Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
in einer Brennstoffzelle mittels eines einfachen Separatoraufbaus mit
guter Herstellbarkeit Gas zuzuführen,
für Kühlung zu
sorgen, die Membranfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten und den Stromabnahmewiderstand
zu senken.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Separator einer Brennstoffzelle
vor, der zwischen Einzelzellen, die jeweils einen zwischen Elektroden
eingeschobenen Elektrolyt enthalten, eingefügt wird, um die Einzelzellen
zusammenzustapeln. Der Separator ist gekennzeichnet durch Gasdiffusionsabschnitte,
die so angeordnet sind, dass sie eine Oberfläche der Elektroden bedecken,
und in denen zur Gasdiffusion mehrere Luftlöcher ausgebildet sind, und
Abstandsabschnitte, die auf der Rückseite von Abschnitten der
die Oberfläche
der Elektroden bedeckenden Gasdiffusionsabschnitte parallele, abgeteilte
Gasdurchlässe
bilden, wobei die Gasdiffusionsabschnitte und die Abstandsabschnitte
eine Einheit bilden, die sich aus einem gebogenen Drahtgeflechtelement
ergibt, das einen Querschnitt in Form einer rechteckigen, gewellten
Platte hat.
-
Außerdem sieht
die Erfindung eine Brennstoffzelle vor, in der zwischen Einzelzellen,
die jeweils einen zwischen Elektroden eingeschobenen Elektrolyt
enthalten, ein Separator eingefügt
ist, um die Einzelzellen zusammenzustapeln. Die Brennstoffzelle
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Separator Gasdiffusionsabschnitte,
die so angeordnet sind, dass sie eine Oberfläche der Elektroden bedecken,
und in denen zur Gasdiffusion mehrere Luftlöcher ausgebildet sind, und
Abstands abschnitte enthält,
die auf der Rückseite
von die Oberfläche
der Elektroden bedeckenden Abschnitten der Gasdiffusionsabschnitte
parallele, abgeteilte Gasdurchlässe bilden,
wobei die Gasdiffusionsabschnitte und die Abstandsabschnitte eine
Einheit bilden, die sich aus einem gebogenen Drahtgeflechtelement
ergibt, das einen Querschnitt in Form einer rechteckigen, gewellten
Platte hat.
-
Bei
dem vorstehenden Aufbau ist es effektiv, wenn das Drahtgeflechtelement
mehrmals in die Form einer rechteckigen, gewellten Platte gebogen ist,
wobei die Breite des Gasdiffusionsabschnitts 4 und der
Abstand zwischen benachbarten Gasdiffusionsabschnitten kleiner oder
gleich 1 ist.
-
Das
Drahtgeflechtelement hat vorzugsweise ein Öffnungsverhältnis von größer oder
gleich 25% und ist vorzugsweise derart beschaffen, dass der Lochdurchmesser
der Luftlöcher
0,5 mm bis einschließlich
1,0 mm beträgt.
-
Des
Weiteren ist das Drahtflechtelement vorzugsweise so beschaffen,
dass der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Luftlöcher im
Großen
und Ganzen konstant ist.
-
Außerdem ist
das Drahtgeflechtelement vorzugsweise so beschaffen, dass die Form
der Luftlöcher
kreisförmig,
rechteckig, diamantförmig
oder sechseckig ist.
-
Abgesehen
davon sieht die Erfindung eine Brennstoffzelle vor, in der zwischen
Einzelzellen, die jeweils eine zwischen Elektroden eingeschobene
Polymerelektrolytmembran enthalten, ein Separator eingefügt ist,
um die Einzelzellen zusammenzustapeln. Die Brennstoffzelle ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Separator Gasdiffusions abschnitte, die
so angeordnet sind, dass sie eine Oberfläche der Elektroden bedecken,
und in denen zur Gasdiffusion mehrere Luftlöcher ausgebildet sind, und
Abstandsabschnitte enthält,
die auf der Rückseite
von die Oberfläche
der Elektroden bedeckenden Abschnitten der Gasdiffusionsabschnitte
parallele, abgeteilte Gasdurchlässe
bildet, wobei die Gasdiffusionsabschnitte und die Abstandsabschnitte
eine Einheit bilden, die sich aus einem gebogenen Drahtgeflechtelement
ergibt, das einen Querschnitt in Form einer rechteckigen, gewellten
Platte hat.
-
Es
ist besonders effektiv, wenn die Einzelzelle dieses Aufbaus dadurch
gebildet ist, dass die Polymerelektrolytmembran über eine Katalysatorschicht
zwischen Kohlenstoffgewebe eingeschoben ist und die Gasdiffusionsabschnitte
so aufgebaut sind, dass der Abstand zwischen den Kanten benachbarter
Luftlöcher
kleiner oder gleich 0,3 mm ist, damit sich die Fläche verringert,
an der von der Einzelzelle erzeugtes Wasser anhaftet, und der Druck über die
gesamte Oberfläche
zum Kohlenstoffgewebe hin verteilt wird.
-
Die
den Separator bildenden Gasdiffusionsabschnitte und Abstandsabschnitte
bilden erfindungsgemäß eine Einheit,
die sich daraus ergibt, dass ein Drahtgeflechtelement in die Form
einer gewellten Platte gebogen wurde. Infolgedessen wird die Fläche des
Gaszufuhrdurchlasses durch die Höhe der
Wellen des Drahtgeflechtelements bestimmt und werden der Luftstrom
und das Diffusionsvermögen unabhängig von
der Wellenhöhe
durch die Feinheit des Geflechts des Drahtgeflechtelements bestimmt. Daher
kann bei diesem Aufbau das Öffnungsverhältnis des
Abschnitts, der die Oberfläche
der Gasdiffusionselektroden bedeckt, gleichmäßig eingestellt werden, während eine
ausreichende Gasdurchlassfläche
sichergestellt wird.
-
Außerdem kann
für eine
ausreichenden Gasdiffusion der Flächeninhalt der Kontaktfläche des Separators
und der Gasdiffusionselektroden klein eingestellt werden, während mit
einem von dem Kontakt mit dem feinen Drahtgeflecht stammenden hohen
Kontaktdruck über
den gesamten Gasdiffusionsabschnitt eine gleichmäßige Kontaktfläche sichergestellt
werden kann. Dadurch lässt
sich auch der Stromabnahmewiderstand verringern.
-
Da
der Separator durch das Biegen des Geflechtelements gebildet wird,
lässt sich
durch einen einfachen Vorgang, der keine große Geschicklichkeit erfordert,
die Herstellbarkeit nicht nur des Separators, sondern auch der gesamten
Brennstoffzelle verbessern.
-
Insbesondere
dann, wenn das Drahtgeflechtelement mehrmals in eine rechteckige
Wellenform gebogen wird, in der die Breite des Gasdiffusionsabschnitts 4 ist
und der Abstand zwischen benachbarten Gasdiffusionsabschnitten 1 ist,
wird der Druckverlust in dem Gaszufuhrdurchlass verringert, sodass sich
das Gas effizienter den Gasdiffusionselektroden zuführen lässt.
-
Es
folgt nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Blockschema eines Brennstoffzellensystems;
-
2 eine
Draufsicht auf ein Zellenmodul, das einen Brennstoffzellenstapel
gemäß einem
ersten Ausführungs beispiel
der Erfindung bildet;
-
3 eine
Vorderansicht des Zellenmoduls von der Seite einer Luftelektrode
aus;
-
4 eine
Vorderansicht des Zellenmoduls von der Seite einer Brennstoffzellenelektrode
aus;
-
5 eine
Draufsicht auf einen Teil eines horizontalen Schnitts entlang der
Linie B-B in 3;
-
6 eine
Seitenansicht auf einen Teil eines vertikalen Schnitts entlang der
Linie A-A in 3;
-
7 eine
auseinandergezogene Teilperspektivansicht eines Abschnitts eines
Separators des Zellenmoduls;
-
8 eine
Draufsicht auf typische Beispielformen des Geflechts des Separators;
-
9 in
einer auseinandergezogenen Teilperspektivansicht einen Abschnitt
eines Separators gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
-
10 in
einer auseinandergezogenen Teilperspektivansicht einen Abschnitt
eines Separators gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
Die
Erfindung ist besonders effektiv, wenn sie bei einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
Anwendung findet, die als Ergebnis einer Reaktion zwischen einem
Brennstoffgas und einem Oxidationsgas Wasser erzeugt. Genauer gesagt
ist die Erfindung dann effektiv, wenn sie bei einem Separator Anwendung
findet, der sich mit der Luftelektrodenseite einer Gasdiffusionsschicht
in Kontakt befindet, von der das erzeugte Wasser abgegeben wird.
Und zwar wird das in der Gasdiffusionsschicht erzeugte Wasser, nachdem
es durch Luftlöcher
in dem Drahtgeflecht abgeleitet wurde, weiter durch das feine und gleichmäßig beabstandete
Geflecht des Drahtgeflechtelements nach unten abgeleitet. Deswegen
verstopft das erzeugte Wasser auch nicht die Gasdiffusionsschicht
und das Drahtgeflecht. Da der Durchgang und die Diffusion des zugeführten Gases
nicht behindert werden, ist es außerdem möglich, eine Abnahme des Wirkungsgrads
zu verhindern, zu der es ansonsten durch eine ungleichmäßige Gasdiffusion kommen
würde.
-
Erstes Ausführunsbeispiel
-
Im
Folgenden werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
die Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Die 1 bis 7 stellen
zunächst
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. 1 zeigt schematisch ein Beispiel
für ein
fahrzeuggebundenes Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel 1 gemäß einem
Anwendungsbeispiel der Erfindung verwendet. Der Brennstoffzellenstapel 1 dient
als Hauptbestandteil des Brennstoffstellensystems, das außerdem einen
Brennstoffzellenhauptabschnitt, ein Brennstoffzufuhrsystem 4 und
ein Wasserzufuhrsystem 6 enthält. Der Brennstoffzellenhauptabschnitt enthält i) ein
Luftzufuhrsystem (in der Zeichnung durch die durchgezogenen Linien
gekennzeichnet) 2 mit einem Lüfter 21, der als ein
dem Brennstoffzellenstapel 1 Luft zuführender Luftzufuhrmechanismus dient,
und ii) ein Abluftsystem 3 mit einem Wasserkondensator 31.
Das Brennstoffzufuhrsystem 4 (in der Zeichnung durch die
Linie mit der sich abwechselnden einen langen Linie und den beiden
kurzen Linien gekennzeichnet) enthält einen Wasserstofftank 41, der
als ein Wasserstoffzufuhrmechanismus dient. Das Wasserzufuhrsystem 6 (in
der Zeichnung durch die Strichellinie gekennzeichnet) dient zum
Befeuchten und Kühlen
des Reaktionsabschnitts.
-
Der
im Hauptabschnitt der Brennstoffzelle befindliche Lüfter 21 ist über eine
Luftzufuhrleitung 20 mit einem Luftverteiler 22 verbunden.
Der Luftverteiler 22 ist wiederum mit einem nicht gezeigten
Gehäuse
verbunden, in dem der Brennstoffzellenstapel untergebracht ist.
Der Wasserkondensator 31 befindet sich in einer Luftauslassleitung 30 des
Gehäuses und
ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. In der
Luftauslassleitung 30 ist ein Austrittstemperatursensor 32 angeordnet.
-
Das
Brennstoffzufuhrsystem 4 ist dazu vorgesehen, den Wasserstoffdurchlässen in
dem Brennstoffzellenstapel 1 über die Wasserstoffzufuhrleitung 40 in
dem Wasserstofftank 41 gespeicherten Wasserstoff zuzuführen. In
der Wasserstoffzufuhrleitung 40 befinden sich in dieser
Reihenfolge von der Seite des Wasserstofftanks 41 aus zur
Seite des Brennstoffzellenstapels 1 hin ein Primärdrucksensor 42,
ein Druckregler 43A, ein elektromagnetisches Zufuhrventil 44A,
ein Druckregler 43B, ein elektromagnetisches Zufuhrventil 44B und
ein Sekundärdrucksensor 45.
Außerdem
befinden sich in der Wasserstoffzufuhrleitung 40 eine Wasserstoffrückführungsleitung 40a und
eine Wasserstoffauslassleitung 50. In der Wasserstoffrückführungsleitung 40a sind
in dieser Reihenfolge von der Seite des Brennstoffzellenstapels 1 aus
Wasserstoffkonzentrationssensoren 46A und 46B,
eine Saugpumpe 47 und ein Sperrventil 48 angeordnet.
Der Abschnitt der Wasserstoffrückführungsleitung 40a stromabwärts vom
Sperrventil 48 ist mit der Wasserstoffzufuhrleitung 40 verbunden. Die
Wasserstoffauslassleitung 50 ist zwischen der Saugpumpe 47 und
dem Sperrventil 48 mit der Wasserstoffrückführungsleitung 40a verbunden.
In der Wasserstoffauslassleitung 50 befinden sich ein Sperrventil 51,
ein elektromagnetisches Auslassventil 52 und ein Brenner 53.
-
Das
Wasserzufuhrsystem 6 ist dazu vorgesehen, mehreren in dem
Luftverteiler 22 des Brennstoffzellenstapels 1 angeordneten
Düsen 63 über eine
Wasserzufuhrleitung 60 in einem Wassertank 61 gespeichertes
Wasser zuzuführen.
In der Wasserzufuhrleitung 60 ist eine Pumpe 62 angeordnet.
Außerdem
befindet sich in dem Wassertank 61 ein Füllstandssensor 64.
Das Wasserzufuhrsystem 6 hat außerdem eine Wasserrückführungsleitung 60a,
die den Brennstoffzellenstapel 1 mit dem Wassertank 61 verbindet.
In der Wasserrückführungsleitung 60a sind
eine Pumpe 65 und ein Sperrventil 66 angeordnet.
Die Wasserrückführungsleitung 60a ist
auf der stromaufwärtigen
Seite der Pumpe 65 mit dem Wasserkondensator 31 verbunden.
Die Spannungsmesser 71 in der Zeichnung überwachen
die gegenelektromotorische Kraft der Brennstoffzelle.
-
Wenn
das Brennstoffzellensystem des obigen Aufbaus in Betrieb ist, führt der
Lüfter 21 dem Luftverteiler 22 Luft
zu, während
die Pumpe 62 Wasser von dem Wasserzufuhrsystem zuführt und
die elektromagnetischen Zufuhrventile 44A und 44B Wasserstoff
von dem Brennstoffzufuhrsystem 4 zuführen.
-
Gleichzeitig überwacht
der Wasserstoffprimärdrucksensor 42 in
dem Brennstoffzufuhrsystem 4 den Wasserstoffdruck auf der
Seite des Wasserstofftanks 41 und regeln die Wasserstoffregler 43A und 43B den
Druck so, dass er für
die Zufuhr zum Brennstoffzellenstapel 1 geeignet ist. Die
Wasserstoffzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 1 wird dann
elektrisch durch Öffnen
oder Schließen
der elektro magnetischen Zufuhrventile 44A und 44B gesteuert.
Die Zufuhr an Wasserstoffgas kann durch Schließen der elektromagnetischen
Zufuhrventile 44A und 44B unterbrochen werden.
Darüber
hinaus überwacht
der Wasserstoffsekundärdrucksensor 45 den
Wasserstoffgasdruck, unmittelbar bevor das Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird.
Außerdem
führt die
Pumpe 62 in dem Wasserzufuhrsystem 6 den im Luftverteiler 22 befindlichen
Düsen 63 Wasser
vom Wassertank 61 zu. Von dort wird das Wasser entweder
fortlaufend oder unterbrochen in den Luftverteiler 22 eingespritzt,
wo es sich als Nebel mit dem Luftstrom mischt und in den Brennstoffzellenstapel 1 transportiert
wird.
-
Die 2 bis 7 zeigen
den Aufbau eines Zellenmoduls 10, das die Einheit darstellt,
aus dem der Brennstoffzellenstapel 1 in dem Brennstoffzellensystem
mit dem obigen Aufbau gebildet ist. Wie die Oberseite in 2 zeigt
(im Folgenden werden die Beziehungen Oberseite/Unterseite und vertikal/horizontal
in Bezug auf die Position beschrieben, in der das Zellenmodul angeordnet
ist), ist das Zellenmodul 10 aus einer Vielzahl von in
Dickenrichtung zusammengestapelten Sätzen (das Beispiel in der Zeichnung
zeigt 10 Sätze)
gebildet, die jeweils eine Einzelzelle (MEA) 10A, einen
Separator 10B, der jeweils ein Paar Einzelzellen elektrisch
miteinander verbindet und den Strömungsweg des in die Einzelzellen eingelassenen
Wasserstoffgases vom Luftströmungsweg
trennt, und zwei Arten die Einzelzellen 10A und den Separator 10B tragender
Rahmen 17 und 18 enthalten.
-
Die
Einzelzelle 10A ist innerhalb des Rahmens 18 positioniert,
sodass sie in 2 nicht klar zu erkennen ist.
Das Zellenmodul 10 ist so beschaffen, dass die Einzelzellen 10A und
die Separatoren 10B mit den abwechselnd in mehreren Niveaus
gestapelten zwei Arten Rahmen 17 und 18 so übereinander gestapelt
sind, dass die Einzelzellen 10A in einem vorbestimmten
Abstand voneinander angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt
ist, endet ein Ende des Zellenmoduls 10 in Stapelrichtung
(d.h. die Seite des oberen Endes in 2), mit
der Oberfläche
des in Vertikalrichtung mit Vorsprüngen versehenen Separators 10B und
der Endfläche
des einen Rahmens 17. Wie in 4 gezeigt
ist, endet das andere Ende des Zellenmoduls 10 (d.h. die
Seite des unteren Endes in 2) mit der
Oberfläche
des in Horizontalrichtung mit Vorsprüngen versehenen Separators 10B und
der Endfläche
des anderen Rahmens 18.
-
Wie
in den auseinandergezogenen Schnittansichten der 5 und 6 gezeigt
ist, enthält
die Einzelzelle 10A eine Polymerelektrolytmembran 11, auf
der einen Seite der Polymerelektrolytmembran 11 eine Luftelektrode 12 als
Oxidationsmittelelektrode und auf der anderen Seite der Polymerelektrolytmembran 11 eine
Brennstoffelektrode 13. Die Luftelektrode 12 und
die Brennstoffelektrode 13 werden von einer aus einem leitenden
Material wie Kohlenstoffgewebe bestehenden Gasdiffusionsschicht
gebildet, durch die das Reaktionsgas wie oben beschrieben unter
Diffusion hindurchgeht, wobei zwischen dieser Diffusionsschicht
und der Polymerelektrolytmembran 11 eine ein Katalysatormaterial
enthaltende Katalysatorschicht eingeschoben ist. Dabei haben die
Luftelektrode 12 und die Brennstoffelektrode 13 horizontale
Abmessungen, die etwas länger
als die Breite eines offenen Abschnitts des Rahmens 18 sind,
der als ein Trägerelement
für die
Luftelektrode 12 und die Brennstoffelektrode 13 dient,
und vertikale Abmessungen, die etwas kürzer als die Höhe dieses offenen
Abschnitts sind. Des Weiteren hat die Polymerelektrolytmembran 11 vertikale
und horizontale Abmessungen, die um eine Größe größer als die vertikalen und
horizontalen Abmessungen des offenen Abschnitts sind.
-
Der
Separator 10B enthält
ein Separatorsubstrat 16, einen Kollektor (nachstehend
als "luftelektrodenseitiger
Kollektor" bezeichnet) 14 und
einen Leiter (nachstehend als „brennstoffelektrodenseitiger Kollektor" bezeichnet) 15.
Das Separatorsubstrat 16 dient als ein Gasunterbrechungselement
zwischen den Einzelzellen 10A. Der luftelektrodenseitige
Kollektor 14 befindet sich auf einer Seite des Separatorsubstrats 16 und
ist aus einem Geflechtelement gebildet, in dem mehrere Luftlöcher ausgebildet
sind, durch die ein Gemisch aus Wasser und Luft geht, und das die
Diffusionsschicht auf der Luftelektrodenseite der Einzelzelle 10A berührt und
Strom abnimmt. Der brennstoffelektrodenseitige Kollektor 15 befindet
sich auf der anderen Seite des Separatorsubstrats 16 und berührt die
Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffelektrodenseite der Einzelzelle 10A.
Der brennstoffelektrodenseitige Kollektor 15 ist ebenfalls
aus einem Gitterelement gebildet, um Spannung zur Außenseite zu
leiten.
-
Um
einen vorbestimmten Lagezusammenhang zwischen dem Separatorsubstrat 16,
dem luftelektrodenseitigen Kollektor 14 und dem brennstoffelektrodenseitigen
Kollektor 15 wie auch der Einzelzelle 10A beizubehalten,
ist der Rahmen 17 auf sowohl der linken als auch der rechten
Seite des luftelektrodenseitigen Kollektors 14 angeordnet
(d.h. der Rahmen 17 bildet einen Rahmen (siehe 3),
bei dem das obere und untere Ende des Rahmens lediglich durch Stützplatten 17a und 17b auf
der Außenseite
verbunden sind) und befindet sich der Rahmen 18 auf den
Umfangskantenabschnitten des brennstoffelektrodenseitigen Kollektors 15 und
der Einzelzelle 10A.
-
In
diesem Beispiel bestehen die Kollektoren 14 und 15,
die aus Geflechtelementen gebildet sind, die bei der Erfindung die
Gasdiffusionsabschnitte und die Abstandsabschnitte bilden, aus dünnen Streckmetallplatten,
die eine Dicke in der Größenordnung von
beispielsweise 0,2 mm haben. Des Weiteren ist das Separatorsubstrat 16 aus
einer sogar noch dünneren
Metallplatte gebildet. Das Metall kann zum Beispiel ein leitendes
und korrosionsfestes Metall sein, etwa Edelstahl, eine Nickellegierung,
eine Titanlegierung oder ein Metall, das beispielsweise mit einem Goldüberzug versehen
wurde oder auf andere Weise im Hinblick auf Korrosionsfestigkeit
und Leitfähigkeit behandelt
wurde. Die Rahmen 17 und 18 bestehen aus geeigneten
Isoliermaterialien.
-
Die
Form des luftelektrodenseitigen Kollektors 14 ist insgesamt
rechteckig und in der Horizontalen lang (die Unterseite ist jedoch
abgeschrägt,
um den Drainageeffekt zu verbessern). Wie im Einzelnen in dem vergrößerten Abschnitt
in 7 gezeigt ist, ist der luftelektrodenseitige Kollektor 14 eine
wellige Platte, die aus einem Geflechtelement besteht (in der Zeichnung
ist lediglich ein Abschnitt als Geflecht gezeigt, damit die Form
der Plattenoberfläche
leichter zu erkennen ist), das diamantförmige Luftlöcher 143 mit einem Öffnungsverhältnis von
59% und kleine Vorsprünge 14a hat,
die durch Pressbearbeitung gebildet wurden.
-
Die
Vorsprünge 14a sind
so angeordnet, dass sie über
die gesamte Vertikallänge
der Plattenoberfläche
verlaufen, gleich beabstandet sind und parallel zu den vertikalen
Seiten (d.h. zu den kurzen Seiten in dem in der Zeichnung gezeigten
Beispiel) des Plattenelements verlaufen. Dadurch werden hinter den
Vorsprüngen
Gasströmungswege gebildet, die
aufgrund der Tatsache, dass die Vorsprünge 14a parallel abgeteilt
sind, ermöglichen,
dass die Strömungsgeschwindigkeit
an jedem Abschnitt die gleiche ist. Die Querschnitte der Vorsprünge 14a haben annähernd die
Form einer rechteckigen Welle, wobei die Grundseite aufgrund der
Formentnahme während
der Pressbearbeitung am Boden etwas breiter ist. Die Höhe der Vorsprünge 14a ist
im Großen
und Ganzen gleich der Dicke des Rahmens 17. Infolgedessen
werden Luftströmungswege
A mit einer vorbestimmten Öffnungsfläche sichergestellt,
die in Vertikalrichtung zwischen den Rahmen 17 auf beiden Seiten
im Stapel verlaufen. Darüber
hinaus ist das Verhältnis
der Breite der Vorsprünge 14a zu
den Bodenabschnitten auf 4:1 oder weniger eingestellt, da die Kontaktfläche umso
mehr abnimmt und daher der Stromabnahmewiderstand umso mehr zunimmt,
je breiter die Bodenabschnitte bezüglich der Vorsprünge 14a sind.
-
Die
flache Seite des Kopfabschnitts 141 jedes Vorsprungs 14a dient
als ein Stirnabschnitt, d.h. als ein Gasdiffusionsabschnitt, der
die Diffusionsschicht auf der Seite der Luftelektrode 12 berührt. Die Abschnitte,
die zwischen den Vorsprüngen 14a und den
diese Abschnitte miteinander verbindenden Bodenabschnitten in der
die Oberfläche
der Gasdiffusionselektrode kreuzenden Richtung verlaufen, bilden Abstandsabschnitte 143,
die die Querschnittsfläche des
Gasdurchgangs A sicherstellen. Die Bodenabschnitte dienen als Stirnabschnitte,
die zwischen dem Kollektor 14 und dem Separatorsubstrat 16 Strom
leiten.
-
Der
brennstoffelektrodenseitige Kollektor 15 besteht aus einem
rechteckigen Geflechtplattenelement (in der Zeichnung ist lediglich
ein Abschnitt als Geflecht gezeigt, damit die Form der Plattenoberfläche leichter
zu erkennen ist), das gegitterte, diamantförmige Luftlöcher 153 mit den gleichen
Abmessungen wie der luftelektrodenseitige Kollektor 14 hat. Durch
Pressbearbeitung gebildete Extrusionen bilden eine Vielzahl von
Vorsprüngen 15a.
Die Vorsprünge 15a sind
so beschaffen, dass ihre Kopfabschnitte 151 genau wie bei
den Vorsprüngen 14a zuvor
flach sind und einen Querschnitt in Form von im Großen und
Ganzen rechteckigen Wellen hat. Die Vorsprünge 15a dieses Kollektors 15 verlaufen
jedoch unter in Vertikalrichtung gleichen Abständen über die gesamte horizontale
Breite der Plattenoberfläche.
Auch in diesem Fall werden hinter den Vorsprüngen Gasströmungswege gebildet, die aufgrund der
Tatsache, dass die Vorsprünge 15a parallel
abgeteilt sind, ermöglichen,
dass die Strömungsgeschwindigkeit
in jedem Abschnitt die gleiche ist. Außerdem ist das Verhältnis der
Breite der Vorsprünge 15a zu den
Bodenabschnitten auf 4:1 oder weniger eingestellt, da die Kontaktfläche umso
mehr abnimmt und dadurch der Stromabnahmewiderstand umso mehr zunimmt,
je breiter die Bodenabschnitte bezüglich der Vorsprünge 15a sind.
-
Die
flache Seite des Kopfabschnitts 151 jedes Vorsprungs 15a dient
als ein Stirnabschnitt, d.h. ein Gasdiffusionsabschnitt, der die
Brennstoffelektrode 13 berührt. Die Abschnitte, die zwischen
den Vorsprüngen 15a und
den diese Abschnitte miteinander verbindenden Bodenabschnitten in
der die Oberfläche
der Gasdiffusionselektrode kreuzenden Richtung verlaufen, bilden
Abstandsabschnitte 152, die die Querschnittsfläche eines
Gasdurchlasses H sicherstellen. Die Bodenabschnitte dienen als Stirnabschnitte,
die zwischen dem Kollektor 15 und dem Separatorsubstrat 16 Strom
leiten. Die Querschnitte der Vorsprünge 15a haben ebenfalls
annähernd
die Form einer rechteckigen Welle, wobei die Grundseite aufgrund
der Formentnahme während
der Pressbearbeitung am Boden etwas breiter ist. Die Höhe der Vorsprünge 15a entspricht
zusammen mit der Dicke der Einzelzelle 10A im Wesentlichen
der Dicke des Rahmens 18. Infolgedessen werden Brennstoffströmungswege
mit einer vorbestimmten Öffnungsfläche sichergestellt,
die im gestapelten Zustand horizontal durch das Innere des Rahmens 18 verlaufen.
-
Die
beiden Kollektoren 14 und 15 mit dem obigen Aufbau
sind so angeordnet, dass das Separatorsubstrat 16 zwischen
ihnen liegt, wobei die Vorsprünge 14a und 15a jeweils
nach außen
weisen. Gleichzeitig stoßen
die Bodenabschnitte der Vorsprünge 14a und 15a beider
Kollektoren 14 und 15 gegen das Separatorsubstrat 16,
sodass der Strom in beide Richtungen fließen kann. Dadurch, dass die Kollektoren 14 und 15 das
Separatorsubstrat 16 von beiden Seiten bedecken, werden
außerdem
auf der Rückseite
der Abschnitte des Kollektors 14, die die Oberfläche der
Gasdiffusionselektrode auf der einen Seite des Separatorsubstrat 16 bedecken,
die Luftströmungswege
A gebildet, während
auf der anderen Seite des Separatorsubstrats 16 infolge
des gleichen Lagezusammenhangs die Brennstoffströmungswege H gebildet werden.
Der Luftelektrode 12 der Einzelzelle 10A werden
dann von den vertikalen Luftströmungswegen
A aus Luft und Wasser zugeführt,
während
der Brennstoffelektrode 13 der Einzelzelle 10A von
den horizontalen Brennstoffströmungswegen
H aus entsprechend Wasserstoff zugeführt wird.
-
Die
Rahmen 17 und 18 sind jeweils auf der Außenseite
des wie oben beschrieben aufgebauten Separators 10B angeordnet.
Wie in den 5 und 6 gezeigt
ist, hat der Rahmen 17, der den Kollektor 14 umgibt,
mit Ausnahme des Abschnitts am äußeren Ende
(der oberste Abschnitt in 5 und das linke
Ende in 6) lediglich vertikale Rahmenabschnitte 171,
die beide Seiten entlang der kurzen Seiten des Kollektors 14 umgeben
und durch die hindurch Langlöcher 172 in
Richtung der Plattendicke verlaufen, um Brennstoffströmungswege
zu bilden. Die Plattendicke des Rahmens 17 ist wie oben
beschrieben mit der Dicke des wellenförmigen Kollektors 14 vergleichbar.
Wenn daher der Rahmen 17 und der Kollektor 14 zusammen
sind, befinden sich die Vorsprünge 14a des
Kollektors 14 mit der Luftelektrode 12 der Einzelzelle 10A in
Kontakt, während sich
die Bodenabschnitte über
das Separatorsubstrat 16 mit dem Kollektor 15 in
Kontakt befinden. Das Separatorsubstrat 16 hat Außenabmessungen,
die der Höhe
und der Gesamtbreite des Rahmens 17 entsprechen, und ist
an den Stellen, die die Langlöcher 172 im
Rahmen 17 überlappen,
mit ähnlichen
Langlöchern 162 versehen.
Zwischen den beiden vertikalen Rahmenabschnitten 171 des
Rahmens 17 werden somit die Luftströmungswege A festgelegt, die von
dem Separatorsubstrat 16 und der Oberfläche der Luftelektrode 12 der
Einzelzelle 10A umgeben sind und die vertikal durch die
gesamte Einzelzelleneinheit verlaufen.
-
Der
Rahmen 18, der den Kollektor 15 und die Einzelzelle 10A umgibt,
hat die gleiche Größe wie der Rahmen 17,
unterscheidet sich aber von dem Rahmen 17 insofern, als
er ein vollständiger
Rahmen ist, der vertikale linke und rechte Rahmenabschnitte (obwohl
dies aufgrund der Tatsache, dass sie weiter rechts liegen, als die
Zeichnung zeigt, nicht in 5 gezeigt
ist, entsprechen sie Rahmenabschnitten, deren Enden sich auf beiden
Seiten an der gleichen Stelle wie das linke und rechte Ende der
beiden vertikalen Rahmenabschnitte 171 des Rahmens 17 befinden,
wobei die Breite in der Horizontalrichtung im Großen und
Ganzen die gleiche wie die der horizontalen oberen und unteren Rahmenabschnitte
ist) und horizontale obere und untere Rahmenabschnitte 182 hat.
Mit Ausnahme des Abschnitts am äußeren Ende (der
unterste Abschnitt in 2, d.h. die in 4 gezeigte
Seite), hat der Rahmen 18 eine dünne Stützplatte 18a, die
parallel zu den vertikalen linken und rechten Rahmenabschnitten
verläuft
und das linke und rechte Ende des Kollektors 15 überlappt,
und eine dicke Stützplatte 18b.
Der von diesen Stützplatten 18a und
den vertikalen Rahmenabschnitten umgebene Raum bildet den Brennstoffströmungsweg, der
an den Langlöchern 172 ausgerichtet
ist, die in Richtung der Plattendicke durch den Rahmen 17 gehen.
-
Die
Plattendicke des Rahmens 18 ist wie oben beschrieben mit
der Dicke des wellenförmigen Kollektors 15 vergleichbar.
Wenn der Rahmen 18 und der Kollektor 15 zusammen
sind, befinden sich daher die Vorsprünge 15a des Kollektors 15 mit
der Brennstoffelektrode 13 der Einzelzelle 10A in
Kontakt, während
sich die Bodenabschnitte über
das Separatorsubstrat 16 mit dem Kollektor 14 in
Kontakt befinden. Die Brennstoffwege H sind somit zwischen sowohl den
vertikalen Rahmenabschnitten des Rahmens 18 als auch der
Stützplatte 18a in
der Stapelrichtung an den Langlöchern 172 in
den vertikalen Rahmenabschnitten 171 des Rahmens 17 ausgerichtet
ausgebildet. Des Weiteren werden die Brennstoffströmungswege
H, die horizontale, zwischen dem Separatorsubstrat 16 und
der Stützplatte 18a eingeschobene
Strömungswege
darstellen, auf der Innenseite jedes Rahmens 18 durch die
Wellenform des Kollektors 15 definiert.
-
Der
Separator 10B wird von den Kollektoren 14 und 15 und
dem Separatorsubstrat 16 gebildet, die von den wie oben
beschrieben aufgebauten Rahmen 17 und 18 gehalten
werden. Durch abwechselndes Übereinanderstapeln
der Separatoren 10B und der Einzelzellen 10A wird
dann ein Zellenmodul gebildet. Wie in 2 gezeigt
ist, werden auf diese Weise schlitzförmige Luftströmungswege
gebildet, die in den zwischen den Rahmen 18 in den gestapelten Zellenmodulen
liegenden Abschnitten durch das gesamte Zellenmodul hindurch in
der Vertikalrichtung von der Oberseite des Zellenmoduls zur Unterseite des
Zellenmoduls verlaufen.
-
Der
Brennstoffzellenstapel (siehe 1), der
dadurch zustande kommt, dass eine Vielzahl einzelner Zellenmodule,
die den obigen Aufbau haben, zusammen in einem Gehäuse angeordnet
wird, erzeugt Strom, wenn vom oberen Abschnitt des Brennstoffzellenstapel 1 aus
Luft und Wasser, das im Luftverteiler 22 zugemischt wurde,
und von der Seite aus Wasserstoff zugeführt werden. Die Luft und das
Wasser, die den Luftströmungswegen
zugeführt
werden, treten im oberen Abschnitt der Luftströmungswege in einem Zustand
ein, in dem mit dem Luftstrom Wassertröpfchen in Form von Nebel gemischt
sind (im Folgenden wird dieser Zustand als „Mischströmung" bezeichnet). Während des stabilen Betriebs
der Brennstoffzelle wird die Mischströmung innerhalb der Luftströmungswege
durch die Wärme
erhitzt, die durch die Reaktion von der Einzelzelle 10A erzeugt wird.
Einige der Wassertröpfchen
in der Mischströmung
haften an dem Geflecht des Kollektors 14 an. Die nicht
an dem Geflecht des Kollektors 14 anhaftenden Wassertröpfchen werden
in der Dampfphase zwischen dem Kollektor 14 und der Gasdiffusionsschicht
erhitzt und verdampfen, sodass ein Latentwärmeabkühleffekt erzeugt wird, der
von dem Kollektor 14 Wärme
abzieht. Das Wasser, das zu Dampf geworden ist, enthält Feuchtigkeit,
was innerhalb der Polymerelektrolytmembran 11 ein Abdampfen
von Feuchtigkeit von der Seite der Luftelektrode 12 aus unterdrückt. Der Überschuss
an Luft, Dampf und Wasser, die in die Luftströmungswege eingetreten sind,
treten dann an den Öffnungen
der Luftströmungswege
am Boden des Zellenstapels aus.
-
Andererseits
wird den Brennstoffströmungswegen
von den Langlöchern
in den vertikalen Rahmenabschnitten des Rahmens 18 auf
der in 4 gezeigten äußeren Seite
aus der Wasserstoff zugeführt.
Er strömt
dann über
die Langlöcher 172 in
die vertikalen Rahmenabschnitten 171 des Rahmens 17 in
die Räume,
die von den vertikalen und horizontalen Rahmenabschnitten jedes
Rahmens 18 und den Stützplatten 18a umgeben
sind, und wird über
Räume,
die zwischen dem Separatorsubstrat 16 und der Stützplatte 18a liegen,
der Seite der Brennstoffelektrode 13 der Einzelzelle 10A zugeführt. Dadurch
wird der Brennstoffelektrode 13 der Einzelzelle 10A Wasserstoff
zugeführt.
Von dem Wasserstoff, der in der Horizontalrichtung entlang der Brennstoffelektrode 13 strömt, wird
der überschüssige Anteil,
der nicht zur Reaktion beiträgt,
zu den Wasserstoffströmungswegen
auf der entgegengesetzten Seite abgeführt und durch das in 1 gezeigte
Rohr, das mit dem Wasserstoffströmungsweg
verbunden ist, zurückgeführt und
schließlich
zum Brenner abgeleitet.
-
Wie
oben beschrieben wurde, haftet also etwas Wasser, das zusammen mit
der Luft dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wurde, am Geflecht des Kollektors 14 an
und verdampft, während
der Rest, ohne an dem Geflecht anzuhaften, in der Gasphase verdampft
und Latentwärme
abzieht, was das Verdampfen von Feuchtigkeit von der Elektrolytmembran 11 auf
der Seite der Luftelektrode 12 verhindert. Infolgedessen
wird die Elektrolytmembran 11 durch das erzeugte Wasser,
ohne dass die Seite der Luftelektrode 12 abtrocknen würde, konstant
in einem gleichmäßig feuchtem
Zustand gehalten. Außerdem zieht
das der Oberfläche
der Luftelektrode 12 zugeführte Wasser Wärme von
der Luftelektrode 12 ab, wodurch sie gekühlt wird.
Dadurch kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 gesteuert
werden.
-
Die
Strömung
des Wasserstoffs innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 ist
wie oben beschrieben. In dem Brennstoffzufuhrsystem 4 wird
die Konzentration des Wasserstoffgases, das durch das Absaugen der
Pumpe 47 aus dem Wasserstoffdurchlass des Brennstoffzellenstapels 1 abgeführt wird, durch
die Konzentrationssensoren 45A und 45B gemessen.
Wenn die gemessene Konzentration größer oder gleich einer vorbestimmten
Konzentration ist, wird das Wasserstoffgas durch Schließen des
elektromagnetischen Ventils 52 über das Rückführungssperrventil 48 zur
Wasserstoffzufuhrleitung 40 zurückgeführt.
-
Wenn
die gemessene Konzentration kleiner als die vorbestimmte Konzentration
ist, wird der Wasserstoff dagegen über das Sperrventil 51 und
das elektromagnetische Ventil 52 durch zeitweiliges Öffnen des
elektromagnetischen Austrittsventils 52 zum Brenner 53 abgeleitet,
sodass Abgas, das vollständig von
dem Brenner 53 verbrannt wurde, an die Außenluft
abgegeben wird.
-
Mit
diesem System lässt
sich der Brennstoffzellenstapel 1 auch ohne Kühlsystem
ausreichend feucht halten und kühlen,
indem dem Brennstoffzellenstapel 1 im Luftstrom Wasser
zugeführt
wird. Gleichzeitig kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 auf
der gewünschten
Temperatur gehalten werden, indem die von den Düsen 63 in den Luftverteiler 22 eingespritzte
Wassermenge gesteuert wird. Dies lässt sich durch geeignetes Steuern
der Ausgangsleistung und der Betriebsintervalle der Pumpe 62 abhängig von
der von dem Austrittstemperatursensor 32 erfassten Temperatur
der ausgetretenen Luft bewerkstelligen.
-
Und
zwar steigt die Verdampfungsmenge, wenn die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführte Wassermenge
zunimmt, und sie nimmt ab, wenn die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführte Wassermenge
abnimmt. Auf ähnliche
Weise sinkt die Temperatur, wenn der Luftstrom zunimmt, und sie
steigt, wenn der Luftstrom abnimmt. Daher kann die Betriebstemperatur
gesteuert werden, indem die Wassermenge und der zugeführte Luftstrom
gesteuert werden. Das Wasser, das zusammen mit der Luft aus dem
Brennstoffzellenstapel 1 austritt, tritt größtenteils in
flüssigem
Zustand aus. Daher fließt
das Wasser zu der Wasserrückführungsleitung 60a,
wird von der Pumpe 65 angesaugt und über das Sperrventil 66 zum
Wassertank 61 zurückgeführt. Das
Wasser, das verdampft ist und sich daher in Dampfform befindet, oder
Wasser, das nicht von der Wasserrückführungsleitung 60a aufgenommen
wird, wird durch den Wasserkondensator 31 kondensiert,
sodass es sich verflüssigt,
und wird dann von der Pumpe 65 angesaugt und zum Wassertank 61 zurückgeführt. Es
wird davon ausgegangen, dass etwas von dem Wasserdampf in der Abluft
als Folge der Stromerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 1 von
dem Reaktionswasser stammt. Der Wasserfüllstand in dem Wassertank 61 wird
durch den Wasserfüllstandsensor 64 überwacht.
-
Dieses
System hat mehrere charakteristische Merkmale. Zunächst sind
die Kollektoren 14 und 15 feine Geflechte mit
Luftlöchern,
die über
die gesamte Kontaktfläche
ausgebildet sind, die sich mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt
befindet, sodass die Mischströmung
aus Luft und Wasser bewegt wird, wenn sie durch die Luftlöcher hindurchgeht
und der Kontaktfläche
der Gasdiffusionsschicht, die sich mit den Kollektoren 14 und 15 in
Kontakt befindet, ein Gasgemisch zugeführt wird. Dadurch kann der
gesamten Elektrodenoberfläche
des Brennstoffzellenstapels 1 gleichmäßig Luft zugeführt werden,
wodurch sich die Konzentrationspolarisation senken lässt. Außerdem erlaubt
der Kontakt an dem Geflecht zwischen der Elektrode und dem Kollektor 11,
gleichmäßig Strom
von der gesamten Elektrode abzunehmen, sodass der Stromabnahmewiderstand
verringert wird. Darüber
hinaus kann der Katalysator der gesamten Elektrode effektiv genutzt
werden, sodass die Aktivierungspolarisation gesenkt wird. Dieses System
hat außerdem
den Vorteil, dass die effektive Fläche der Elektrode erhöht werden
kann.
-
Bei
dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel war das Geflecht
der Kollektoren 14 und 15 des Separators diamantförmig. Allerdings
ist das Geflecht der Kollektoren 14 und 15 nicht
auf die Diamantform beschränkt.
Wahlweise kann es auch eine Vielzahl anderer Formen annehmen. 8 zeigt typische
Beispielformen der Luftlöcher.
Unabhängig von
der eingesetzten Form ist es für
eine gleichmäßige Gasdiffusion
effektiv, wenn der Abstand zwischen zwei beliebigen benachbarten
Luftlöchern
konstant ist. Es ist ebenfalls wünschenswert,
dass auch der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Luftlöcher im
Großen
und Ganzen konstant ist, um insbesondere am Kollektor 14 zu
verhindern, dass die Luftlöcher
durch an dem Geflecht anhaftendes Wasser verstopft werden.
-
Das
in 8(A) gezeigte Beispiel zeigt ein diamantförmiges Geflecht
aus Streckmetall, das bei dem ersten Ausführungsbeispiel zur Anwendung
gekommen ist. Wenn bei dieser Form zum Beispiel die Abmessung in
der Horizontalrichtung der Öffnung 143 (im
Folgenden werden nur die Bezugszahlen des Kollektors 14 betrachtet),
also dem Luftloch 1 mm beträgt,
die Abmessungen in der Vertikalrichtung 0,5 mm beträgt und die
Breite der Kanten abschnitte zwischen den Öffnungen 0,1 mm beträgt, beträgt das Öffnungsverhältnis 68,4%.
Diese Öffnungsform
lässt sich
auch durch ein Sieb aus gebogenem Draht realisieren.
-
Das
in 8(B) gezeigte Beispiel ist ein Beispiel für rechteckige Öffnungen
und zeigt ein Stanzmetallgeflecht, in dem viereckige Luftlöcher 143 ausgestanzt
wurden. In diesem Beispiel ist der Öffnungsabstand der Luftlöcher 143 in
Vertikal- und Horizontalrichtung der gleiche, was zu einem vertikal
und horizontal gitterförmigen
Geflecht führt.
Allerdings lässt sich
ein vergleichbares Öffnungsverhältnis wahlweise
auch durch eine Anordnung erzielen, bei der die Öffnungspositionen in der Vertikal-
und in der Horizontalrichtung um den halben Abstand versetzt sind. Diese Öffnungsform
lässt sich
ebenfalls mit einem Sieb aus gebogenem Draht realisieren.
-
Das
in 8(C) dargestellte Beispiel ist ein Beispiel für mehrwinklige Öffnungen
und zeigt ein Stanzmetallgeflecht, in dem Luftlöcher 143 mit jeweils
sechs Seiten ausgestanzt wurden. In diesem Beispiel hat das Geflecht
eine Wabenform. Diese Öffnungsform
lässt sich
ebenfalls mit einem Sieb aus gebogenem Draht realisieren.
-
Das
in 8(D) dargestellte Beispiel zeigt ein Stanzmetallgeflecht,
in dem kreisförmige
Luftlöcher 143 ausgestanzt
wurden. Dies ist das einfachste Beispiel für runde Öffnungen. In diesem Fall ist
der Öffnungsabstand
der Luftlöcher 143 so
eingestellt, dass der Abstand zwischen den Mitten von zwei beliebigen
benachbarten Luftlöchern
der gleiche ist. Dadurch wird ein allgemein gitterförmiges Geflecht mit
einem großen Öffnungsverhältnis gebildet.
Mit dieser Form lässt
sich eine besonders gute Wirkung erzielen, wenn das Öffnungsverhältnis 25%
oder mehr und der Lochdurchmesser 0,5 bis einschließlich 1,0
mm beträgt.
-
Das
erste Ausführungsbeispiel
setzt einen Aufbau ein, der die Durchlassfläche allein durch die gebogene
Form der Kollektoren 14 und 15 sicherstellt. Wahlweise
kann die Durchlassfläche
jedoch auch zusammen mit der Form der Kollektoren 14 und 15 durch
die Form des Separatorsubstrats 16 sichergestellt werden.
Als nächstes
werden Ausführungsbeispiele
beschrieben, in denen die gebogene Form der Kollektoren 14 und 15 abgewandelt
wurde.
-
Zweites Ausführungsbeispiel
-
Das
in 9 als nächstes
gezeigte zweite Ausführungsbeispiel
hat die gleichen Wellenabmessungen, d.h. Wellenhöhe und -abstand wie der Kollektor 15 auf
der Brennstoffelektrodenseite im ersten Ausführungsbeispiel, damit für die Kollektoren 14 und 15 das
gleiche Material verwendet werden kann. Wenn dieser Aufbau eingesetzt
wird, sind auf dem Separatorsubstrat 16 in einem Abstand,
die zu dem Abstand passen, in dem die Bodenabschnitte des Kollektors 14 angeordnet
sind, Vorsprünge 16a ausgebildet,
die zur Seite des Kollektors 14 vorspringen, sodass das
Separatorsubstrat 16 ebenfalls die Form einer welligen
Platte hat, um die Strömungswegquerschnittsfläche auf
der Luftelektrodenseite sicherzustellen, wo die Wellenhöhe geringer
ist. Im Folgenden werden die Abschnitte in diesem Ausführungsbeispiel,
die die gleichen wie die im ersten Ausführungsbeispiel sind, durch
die gleichen Bezugszahlen bezeichnet und fällt die Beschreibung dieser
Abschnitte weg. Es werden nur diejenigen Teile beschrieben, die
sich vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden.
-
Die
Höhe der
Vorsprünge 16a des
Separatorsubstrats 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel
so gesetzt, dass die Summe der Höhe
der Vorsprünge 16a und
die Höhe
der Vorsprünge 14a des
Kollektors 14 gleich der Höhe der Vorsprünge des
Kollektors 14 im ersten Ausführungsbeispiel ist. Folglich
kann die Querschnittsfläche
des Strömungswegs
auf der Luftelektrodenseite die gleiche wie im ersten Ausführungsbeispiel
sein.
-
Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
kann die Geflechtform der Kollektoren 14 und 15 jedem
der oben gegebenen Beispiele entsprechen. Die Geflechtrichtung ist
beliebig, da sie das Gasdiffusionsvermögen oder das Wasserrückhaltevermögen in sowohl
diesem Ausführungsbeispiel
wie auch in dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel nicht beeinträchtigt.
In 9 wurde die Kennzeichnung des Geflechts weggelassen.
-
Auch
in dem zweiten Ausführungsbeispiel sind
die die Diffusionsschicht berührenden
Kollektoren 14 und 15 ein feines Geflecht, genau
so wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Infolgedessen kann die Luft im Brennstoffzellenstapel 1 gleichmäßig der
gesamten Elektrodenoberfläche
zugeführt
werden, was eine Senkung der Konzentrationspolarisation erlaubt. Außerdem erlaubt
der Geflechtkontakt zwischen der Elektrode und dem Kollektor, von
der gesamten Elektrode gleichmäßig Strom
abzunehmen, sodass der Stromabnahmewiderstand sinkt. Darüber hinaus kann
der Katalysator der gesamten Elektrode wirksam genutzt werden, sodass
die Aktivierungspolarisation gesenkt wird. Des Weiteren kann der
wirksame Flächeninhalt
der Elektroden erhöht
werden, was ebenfalls vorteilhaft ist.
-
Drittes Ausführungsbeispiel
-
Das
als nächstes
in 10 gezeigte Beispiel ist ein Beispiel, bei dem
der Kollektor 15 auf der Brennstoffelektrodenseite als
ein flaches Geflechtelement ohne Wellen ausgebildet ist, was außerhalb des
Anwendungsbereichs der Erfindung ist. Bei diesem Beispiel ist das
Separatorsubstrat 16 aus einer welligen Platte gebildet,
die fortlaufend Vorsprünge 16a und 16b bildet,
die bezogen auf eine Bezugsfläche
des Substrats sowohl zur Luftelektrodenseite als auch zur Brennstoffelektrodenseite
vorragen. Der übrige
Aufbau ist der gleiche wie im zweiten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche
Abschnitte mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet sind. Deren
Beschreibung erübrigt
sich, weswegen eine solche nicht erfolgt.
-
Ein
Separator einer Brennstoffzelle, der zwischen Einzelzellen, die
jeweils einen zwischen Elektroden eingeschobenen Elektrolyt haben,
eingefügt ist,
um die Einzelzellen zusammenzustapeln, enthält Gasdiffusionsabschnitte,
die so angeordnet sind, dass sie eine Oberfläche der Elektroden bedecken, und
in denen zur Gasdiffusion mehrere Luftlöcher ausgebildet sind, und
Abstandsabschnitte, die auf der Rückseite von die Oberfläche der
Elektroden bedeckenden Abschnitten der Gasdiffusionsabschnitte parallele,
abgeteilte Gasdurchlässe
bilden. Die Gasdiffusionsabschnitte und die Abstandsabschnitte bilden
eine Einheit, die sich aus einem gebogenen Drahtgeflechtelement
ergibt, das einen Querschnitt in Form einer rechteckigen, gewellten
Platte hat. Dadurch sind die Luftlöcher zwischen den Elektroden und
dem Separator gleichmäßig ausgebildet
und wird durch den Kontakt des feinen Drahtgeflechts ein hoher Kontaktdruck
sichergestellt, was sowohl das Gas gleichmäßig diffundieren lässt als
auch den Stromabnahmewiderstand senkt.