DE102006000113A1

DE102006000113A1 - Separatoreinheit und Brennstoffzellenstack

Info

Publication number: DE102006000113A1
Application number: DE102006000113A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Takada; Kenji Kato; Yoshihiro Tamura; Toshihiko Nonobe
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2006-12-07
Also published as: JP2006253038A; US7776491B2; US20060204806A1; JP4992188B2

Abstract

Eine Separatoreinheit, die in eine Brennstoffzelle eingesetzt ist, die eine Elektrolytschicht hat, die zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengesetzt ist, ist mit einem plattenförmigen Separator, der zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Oxidationsmittelgas trennt, und einem maschenförmigen Kollektor versehen, der eine Öffnung hat, die einen von einem Durchgang, durch den das Brennstoffgas strömt, und von einem Durchgang bildet, durch den das Oxidationsmittelgas strömt. Der Kollektor ist an zumindest einer Seite der Separatorbasis in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode vorgesehen. Die Separatorbasis hat einen darin ausgebildeten Kühlmitteldurchgang, durch den ein Kühlmittel strömen kann, und ein Elektrodenanstoßabschnitt des Kollektors, der gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode anstößt, hat ein Durchlassöffnungsverhältnis, das größer als das der anderen Abschnitte des Kollektors ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Separatoreinheit und einen Brennstoffzellenstack.
Eine Brennstoffzelle, die keine schädlichen Stoffe ausstößt, während sie eine hohe Energieerzeugungseffizienz aufweist, wurde als Energieerzeugungssystem für industrielle und häusliche Verwendung oder als Energiequelle für einen Satelliten, ein Raumschiff oder dergleichen in die Praxis umgesetzt. Bisher befindet sich die Brennstoffzelle, die als Energiequelle für Fahrzeuge, wie z.B. Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen dient, in der Entwicklung. Die Brennstoffzelle der Alkalilösungsbauart, der Phosphorsäurebauart, der Schmelzcarbonatbauart, der Festoxidbauart, der Direktmethanolbauart und dergleichen kann dabei eingesetzt werden. Jedoch wird die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle am Meisten eingesetzt, da sie bei einer relativ niedrigen Temperatur reagiert und für eine Abmessungsverringerung vorteilhaft ist.
Bei der vorstehend erwähnten Brennstoffzelle wird eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) eingesetzt, die durch Verbinden von zwei Gasdiffusionselektroden und einer dazwischen angeordneten Feststoffpolymerelektrolytmembran ausgebildet ist. Eine der vorstehend genannten Gasdiffusionselektroden dient als Brennstoffelektrode (Anodenelektrode), an der Wasserstoffgas als Brennstoff zugeführt wird, die ein Wasserstoffmolekühl in Wasserstoffionen (Protonen und Elektronen) zersetzt, so dass die Wasserstoffionen in die Feststoffpolymerelektrolytmembran eindringen. Die andere Gasdiffusionselektrode dient als Sauerstoffelektrode (Kathodenelektrode), an der Luft als Oxidationsmittel zugeführt wird, so dass der Sauerstoff in der Luft mit den Wasserstoffionen und Elektronen kombiniert wird, wobei sich Wasser bildet. Die vorstehend beschriebene elektrochemische Reaktion erzeugt eine elektromotorische Kraft.
Die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle hat einen Stack-Aufbau, bei dem ein Separator an einer Außenseite der MEA vorgesehen ist, um einen Durchgang zum Zuführen von Reaktionsgas einschließlich Wasserstoffgas als Brennstoffgas und Sauerstoff als Oxidationsgas auszubilden. Der Separator dient dazu, ein Eindringen des Reaktionsgases in angrenzende MEAs in die Stack-Richtung zu verhindern und den erzeugten elektrischen Strom zu sammeln, der nach außen gebracht wird. Eine Vielzahl von Einheitszellen, die jeweils die MEA und den Separator haben, sind zum Ausbilden eines Brennstoffzellenstacks gestapelt.

Bei dem Brennstoffzellensystem wird Wärmeenergie, die im Wesentlichen äquivalent zu der erzeugten Leistung ist, in jeder der Zellen durch die elektrochemische Reaktion erzeugt. Im Speziellen ist die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle, die bei einer niedrigen Temperatur betrieben wird, mit einer Kühleinheit versehen, die einen übermäßigen Temperaturanstieg in den jeweiligen Zellen verhindert, wie in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. JP-A-8-306371 und JP-A-10-340734 offenbart ist.

Bei dem allgemein eingesetzten Brennstoffzellensystem, wie vorstehend erwähnt ist, kann eine Temperaturverteilung mit Bezug auf die Stack-Richtung der Einheitszellen auftreten, was somit die Temperatur der Elektrode erhöht. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass die Menge von Wasser, das aus der MEA durch die Elektrode dissipiert, übermäßig wird, wodurch sich die Feuchte innerhalb der MEA verringert und sich somit die Energieerzeugungseffizienz in jeder der Zellen verringert.

Eine Separatoreinheit gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist in eine Brennstoffzelle eingesetzt, die eine Elektrolytschicht hat, die zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengelegt ist, und ist mit einer plattenförmigen Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und einem Kollektor versehen, der für zumindest eine Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenartigen Öffnung vorgesehen ist und in Anstoß mit einer von der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode ist, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme abzuführen. Der Kollektor weist eine Turbolenzerzeugungseinheit auf, die eine Turbolenz in dem Gas erzeugt, um die Gelegenheit für einen Kontakts zwischen dem Gas und einer der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode zu verstärken und um die Effizienz zum Abführen der in der Brennstoffzelle erzeugten Wärme zu verbessern.

Eine Separatoreinheit gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist in ein Brennstoffzellensystem eingesetzt, das eine Elektrodenschicht hat, die zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengelegt ist, und ist mit einer plattenförmigen Separatorbasis versehen, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und einem Kollektor, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenförmigen Öffnung versehen ist und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode ist, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme abzuführen. Der Kollektor hat ein Durchlassöffnungsverhältnis, das in Richtung auf eine Schwerkraftrichtung variiert.

Bei der Separatoreinheit gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung variiert das Durchlassöffnungsverhältnis, wobei es höher ist, wenn eine Fläche des Kollektors nach unten in die Schwerkraftrichtung voranschreitet.

Bei der Separatoreinheit gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist der Kollektor mit Vorsprungabschnitten und Basisabschnitten versehen, die sich die die Schwerkraftrichtung erstrecken, die abwechselnd ausgebildet sind.

Bei einem Brennstoffzellenstack gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung, der durch Stapeln von Brennstoffzellen ausgebildet ist, die jeweils eine Elektrolytschicht haben, die zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischen gelegt sind, wobei eine Separatoreinheit in diese eingesetzt ist, weist die Separatoreinheit eine plattenförmige Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und einen Kollektor auf, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, die mit einer maschenförmigen Öffnung und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode vorgesehen ist, um in den Brennstoffzellen erzeugte Wärme abzuführen, und wobei der Kollektor ein Durchlassöffnungsverhältnis hat, das in eine Richtung variiert, in die die Brennstoffzellen gestapelt sind.

Bei dem Brennstoffzellenstack gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weist der Kollektor einen Elektrodenanstoßabschnitt, der gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode anstößt, einen Separatoranstoßabschnitt, der gegen die Separatorbasis anstößt, und einen Rippenabschnitt zwischen dem Elektrodenanstoßabschnitt und dem Separatoranstoßabschnitt auf, wobei jedes Durchlassöffnungsverhältnis von diesem einen Relationsausdruck (1) erfüllt: Durchlassöffnungsverhältnis des Elektrodenanstoßabschnitts > Durchlassöffnungsverhältnis des Rippenabschnitts ≥ Durchlassöffnungsverhältnis des Separatoranstoßabschnitts.

Bei einem Brennstoffzellenstack gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung, der durch Stapeln von Brennstoffzellen ausgebildet ist, die jeweils eine Elektrolytschicht haben, die zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengelegt ist, wobei eine Separatoreinheit zwischen diese eingesetzt ist, weist die Separatoreinheit eine plattenförmige Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und einen Kollektor auf, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenförmigen Öffnung und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode vorgesehen ist, um in den Brennstoffzellen erzeugte Wärme abzuführen. Der Kollektor hat ein Durchlassöffnungsverhältnis, das in eine Richtung variiert, die orthogonal zu einer Richtung ist, in die die Brennstoffzellen gestapelt sind.

Bei dem Brennstoffzellenstack gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung variiert das Durchlassöffnungsverhältnis, wobei es größer wird, wenn eine Fläche des Kollektors nach unten in die Schwerkraftrichtung voranschreitet.

Gemäß der Erfindung wird die Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellenstack beseitigt, um die Temperatur der Brennstoffzelle geeignet zu steuern, wobei somit die Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle geeignet aufrecht erhalten wird und die Energieerzeugungseffizienz verbessert wird. Ebenso werden die Kühlfähigkeit und die Abgabe der Brennstoffzelle verbessert.

Gemäß der Erfindung wird eine Wasserdiffusion innerhalb des Gasströmungsdurchgangs vereinfacht, um eine Stagnation von Wasser innerhalb des Durchgangs zu verhindern, so dass die Gasströmung nicht durch Wasser unterbrochen wird. Das macht es möglich, die Brennstoffzelle auch in einer Umgebung mit hoher Feuchte wirksam zu kühlen, wobei sich somit die Kühlfähigkeit und die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle ebenso wie die Stabilität des Betriebs verbessert.

Bei dem Brennstoffzellenstack wird die Temperaturverteilung mit Bezug auf die Stapelrichtung der Brennstoffzellen beseitigt, so dass sich die Temperaturen an der Sauerstoffelektrode und der Brennstoffelektrode nicht erhöhen. Daher kann die Menge des Wassers, das aus der Brennstoffzelle dissipiert, durch die Sauerstoffelektrode und die Brennstoffelektrode unterdrückt werden. Das macht es möglich, die Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle geeignet aufrecht zu erhalten und die Energieerzeugungseffizienz dabei zu verbessern.

Ferner wird die Wasserdiffusion innerhalb des Gasströmungsdurchgangs bei dem Brennstoffzellenstack vereinfacht, um die Stagnation von Wasser innerhalb des Durchgangs zu verhindern, so dass die Gasströmung nicht durch Wasser unterbrochen wird. Das macht es möglich, die Brennstoffzelle auch in der Umgebung mit hoher Feuchte wirksam zu kühlen, was somit die Kühlfähigkeit und die Energieerzeugungseffizienz des Brennstoffzellenstacks ebenso wie die Stabilität des Betriebs verbessert.

1 ist eine schematische Ansicht einer Separatoreinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2 ist ein Diagramm, das einen Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

3 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines Steuersystems des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

4 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstacks gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

5 ist eine Schnittansicht eines Zellenmoduls des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

6 ist eine Grafik, die eine Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

7 ist ein Ablaufdiagramm, das einem Prozess zum Starten des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und

8 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Luftzufuhrmengensteuerung bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

9 stellt einen Aufbau eines Kollektors an der Luftelektrodenseite bei dem Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;

10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Kollektor an der Luftelektrodenseite bei dem Brennstoffzellensystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

11 ist eine perspektivische Ansicht, die Kollektoren an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite bei dem Brennstoffzellensystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

12 stellt einen Kollektor an der Luftelektrodenseite des Brennstoffzellensystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;

13 ist eine Ansicht, die einen Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

14 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Zellenmoduls der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

15 ist eine erste Ansicht, die einen Aufbau eines Separators der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

16 ist eine zweite Ansicht, die den Aufbau des Separators der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

17 ist eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ansicht, die den Aufbau des Zellenmoduls der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

18 ist eine vergrößerte Schnittansicht der zweiten Ansicht, die den Aufbau des Zellenmoduls der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und

19 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Aufbau einer Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau beschrieben.
2 ist ein Diagramm, das einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 3 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines Steuersystems des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines Brennstoffzellenstacks gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Die. 2 und 4 zeigen einen Brennstoffzellenstack 20, der als Brennstoffzelle (FC) dient, die als Energiequelle für Fahrzeuge einschließlich PKW, Busse, Lastkraftwagen, Passagierwagen, Gepäckwagen und dergleichen verwendet wird. Derartige Fahrzeuge sind mit einer großen Anzahl von Energie verbrauchenden Einrichtungen, wie z.B. einer Lichteinheit, einem Radio und einem Fensterheber versehen, die auch dann verwendet werden, wenn die Fahrzeuge geparkt sind. Die Energiequelle soll einen im Wesentlichen breiten Bereich von Abgaben bereitstellen, um verschiedenartige Betriebsmuster zu bewältigen. Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstack 20, der als Energiequelle dient, mit einer Sekundärbatterie verwendet, die als (nicht gezeigte) elektrische Speichereinheit dient.
Vorzugsweise ist der Brennstoffzellenstack 20 aus einer Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC) ausgebildet, obwohl er eine Alkalilösungsbrennstoffzelle (AFC), eine Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC), eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle (MCFC), eine Feststoffoxidbrennstoffzelle (SOFC), eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DM FC) und dergleichen sein kann.
Genauer gesagt wird bei der Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC oder PEM) das Wasserstoffgas als Brennstoff verwendet und wird Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet. Die Brennstoffzelle der PEM-Bauart weist einen Stack auf, der durch Fügen einer Vielzahl von Brennstoffzellen in Reihe ausgebildet wird, die jeweils Katalysatoren, Elektroden und Separatoren haben, die an beiden Seiten der Feststoffpolymerelektrolytmembran vorgesehen sind, die eine Durchdringung von Ionen, wie z.B. Protonen und dergleichen gestattet.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Brennstoffzellenstack 20 eine Vielzahl von Zellenmodulen 10 auf, wie in 4 gezeigt ist. Jeder in 4 gezeigte Pfeil stellt die Strömungsrichtung des Kühlmittels in einem geschossenen Kühlsystem zwischen einer Vielzahl von Systemen zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks 20 dar. Das Zellenmodul 10 ist aus einer Vielzahl von Sätzen ausgebildet, die in die Dickenrichtung gestapelt sind (die Richtung einer diagonalen Linie, die zwischen dem unteren linken und dem oberen rechten Bereich von 4 verbunden ist). Jeder dieser Sätze weist eine Einheitszelle (MEA) 11, die später mit Bezug auf die Brennstoffzelle beschrieben wird, eine Separatoreinheit 12 (ebenso später beschrieben), die die Einheitszellen 11 elektrisch verbindet und einen Durchgang des Wasserstoffgases, das in die Einheitszelle 11 eingeführt wird, von dem Durchgang der Luft trennt, und einen Rahmen (nicht gezeigt) auf, der die Einheitszelle 11 und die Separatoreinheit 12 stützt.
2 ist eine Ansicht der Vorrichtung, die Wasserstoffgas als Brennstoffgas und Luft als Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstack 20 zuführt. Es ist anzumerken, dass das Wasserstoffgas, das durch Reformieren von Methanol, Benzin und dergleichen mit der (nicht gezeigten) Reformervorrichtung erhalten wird, direkt zu dem Brennstoffzellenstack 20 als Brennstoffgas zugeführt werden kann. Jedoch ist es vorzuziehen, das Wasserstoffgas, das in einer Speichereinheit 23 gespeichert ist, zuzuführen, so dass eine ausreichende Menge Wasserstoffgas gleichbleibend auch in einem Hochlastbetriebszustand des Fahrzeugszugeführt werden kann. Das macht es möglich, eine ausreichende Menge Wasserstoffgas im Wesentlichen bei einem konstanten Druck zuzuführen. Demgemäß kann der Brennstoffzellenstack 20 die erforderliche Elektrizität als Reaktion auf eine Änderung der Fahrzeuglast ohne Verzögerung zuführen. In diesem Fall kann die Ausgangsimpedanz des Brennstoffzellenstacks 20 extrem niedrig mit einer Annäherung an 0 ausgeführt werden.
Das Wasserstoffgas, das von der Brennstoffspeichereinheit 73 einschließlich eines Behälters, der eine Wasserstoffspeicherlegierung speichert, eines Behälters, der eine Wasserstoffspeicherflüssigkeit speichert, wie z.B. Dekalin, und eines Wasserstoffgaszylinders, strömt, tritt durch einen ersten Brennstoffzufuhrdurchgang 21 als Brennstoffzufuhrrohr und einem zweiten Brennstoffzufuhrdurchgang 33, der mit dem ersten Brennstoffzufuhrdurchgang 21 als Brennstoffzufuhrrohr verbunden ist, um der Brennstoffkammer eines Brennstoffzellenstacks 20 zugeführt zu werden. Der erste Brennstoffzufuhrdurchgang 21 ist mit einem Schaltventil 24 für die Brennstoffspeichereinheit, mit Wasserstoffdrucksensoren 27,28, die als Drucksensor zum Erfassen des Wasserstoffgasdrucks dienen, Wasserstoffzufuhrdruckregulierventilen 25a, 25b zum Regulieren des Drucks des zugeführten Wasserstoffgases und einem Elektromagnetventil 26 für die Brennstoffzufuhr versehen.
Die Brennstoffspeichereinheit 73 hat eine ausreichende Kapazität und Fähigkeit zum konstanten Zuführen des Wasserstoffgases bei einem ausreichend hohen Druck. In dem in 2 gezeigten Beispiel werden beispielsweise 3 Brennstoffspeichereinheiten 73 bereitgestellt. Der erste Brennstoffzufuhrdurchgang 21 ist in eine Vielzahl von Abschnitten an dem Punkt abgezweigt, an dem die jeweiligen Brennstoffspeichereinheiten 73 verbunden sind, und die abgezweigten Durchgänge sind an dem mittleren Abschnitt verbunden. Jedoch kann eine einzige Brennstoffspeichereinheit ebenso eingesetzt werden. Die Anzahl der Brennstoffspeichereinheiten kann frei bestimmt werden.
Das Wasserstoffgas, das aus der Brennstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 strömt, tritt durch einen Brennstoffausstoßdurchgang 31, um aus dem Brennstoffzellenstack 20 ausgestoßen zu werden. Der Brennstoffausstoßdurchgang 31 ist mit einem Wassersammelablauftank 60 als Sammelbehälter versehen. Der Wassersammelablauftank 60 ist mit einem Brennstoffausstoßdurchgang 30 verbunden, der Wasser und das getrennte Wasserstoffgas ausstößt. Der Brennstoffausstoßdurchgang 30 ist mit einer Ansaugzirkulationspumpe 36 als Zwangsbrennstoffausstoßvorrichtung versehen. An einem Endabschnitt des Brennstoffausstoßdurchgangs 30 entgegen gesetzt zu dem Wassersammelablauftank 60 ist dieser mit dem zweiten Brennstoffzufuhrdurchgang 33 verbunden. Das Wasserstoffgas, das außerhalb des Brennstoffzellenstacks 20 eingeführt wird, wird gesammelt, um der Brennstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 zum Zweck der Wiederverwendung zugeführt zu werden.
Der Wassersammelablauftank 60 ist mit einem Brennstoffausstoßdurchgang 56 verbunden, der mit einem Wasserstoffausstoßventil 62 versehen ist, durch das das Wasserstoffgas, das von der Brennstoffkammer beim Start des Brennstoffzellenstacks 20 ausgestoßen wird, in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Der Brennstoffausstoßdurchgang 56 kann mit einer Wasserstoffverbrennungsvorrichtung versehen werden, wenn es notwendig ist, bei der das ausgestoßene Wasserstoffgas verbrannt wird, um sich ergebendes Wasser in die Atmosphäre auszustoßen.
Die Wasserstoffzufuhrdruckregulierventile 25a und 25b können ein Schmetterlingsventil, ein Regulatorventil, ein Membranventil, eine Massenströmungssteuerung und ein Sequenzventil oder ähnliches sein. Jedoch können sie jede Bauart sein, solange der Druck des Wasserstoffgases, das von den Auslässen der Wasserstoffzufuhrdruckregulierventile 25a, 25b strömt, auf eine vorbestimmten Druck reguliert werden kann. Der Druck kann manuell eingestellt werden. Jedoch wird er vorzugsweise durch eine Stellglied einschließlich eines Elektromotors, eines Impulsmotors, eines Elektromagneten oder ähnlichem eingestellt. Das Brennstoffzufuhrelektromagnetventil 26 und das Wasserstoffausstoßventil 62 sind eine EIN-/AUS-Schaltbauart, die durch das Stellglied einschließlich des Elektromotors, des Impulsmotors, des Elektromagneten oder ähnlichem betätigt werden. Das Schaltventil 24 für die Brennstoffspeichereinheit wird manuell oder automatisch mit dem Elektromagnetventil betätigt. Die Ansaugzirkulationspumpe 36 kann jede Bauart sein, solange das Wasserstoffgas erzwungen ausgestoßen wird, so dass das Innere der Brennstoffkammer auf einen Unterdruckzustand gebracht wird.
Luft, die als Oxidationsmittel dient, die von einem Luftzufuhrgebläse 75 als Oxidationsmittelzufuhrquelle strömt, tritt durch eine Oxidationsmittelzufuhrdurchgang 76, um einer Sauerstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 zugeführt zu werden. Ein Luftzylinder und ein Lufttank können als Oxidationsmittelzufuhrquelle anstelle des Luftzufuhrgebläses 75 eingesetzt werden. Sauerstoff kann als Oxidationsmittel anstelle von Luft eingesetzt werden. Luft, die von der Sauerstoffkammer ausgestoßen wird, tritt durch einen Auslass, 77, um die Atmosphäre ausgestoßen zu werden.
Wasser kann in die zu der Sauerstoffkammer zugeführte Luft aus der Luftelektrode des Brennstoffzellenstacks 20 gesprüht werden, um die Einheitszellen 11 in einem feuchten Zustand zu halten. In diesem Fall wird von einem Wassertank zugeführtes Wasser in die Luft durch eine Wasserzufuhrdüse gesprüht, die in dem mittleren Abschnitt des Oxidationsmittelzufuhrdurchgangs 76 oder an dem Einlass der Sauerstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 vorgesehen ist. Vorzugsweise kann ein Kondensator an einem mittleren Abschnitt des Auslasskrümmers 77 oder ähnlichem vorgesehen werden, an dem Wasser, das in der Luft enthalten ist, das von der Sauerstoffkammer ausgestoßen wird, gesammelt und wieder verwendet wird.
Luft, die zu der Sauerstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 zugeführt wird, kann in einem Zustand vorliegen, in dem der atmosphärische Druck gehalten wird, oder in einem Druck beaufschlagten Zustand, in dem der Druck höher als der atmosphärische Druck ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Beschreibung angegeben, bei der die Luft sich auf atmosphärischem Druck befindet. In dem Ausführungsbeispiel ist das Brennstoffzellensystem nämlich ein solches, das bei atmosphärischem Druck betrieben wird, eher als das System unter Druck.
2 zeigt eine Vorrichtung als geschlossenes Kühlsystem als ein solches zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks 20. Der Brennstoffzellenstack 20 ist mit einem Kühlmittelzufuhrdurchgang 53, durch den das Kühlmittel tritt, das zu dem Brennstoffzellenstack 20 zugeführt wird, und einem Kühlmittelausstoßdurchgang 71 verbunden, durch den das Kühlmittel tritt, das von dem Brennstoffzellenstack 20 ausgestoßen wird. Ein Kühlmittelspeicherbehälter 52 ist mit jedem Ende des Kühlmittelzufuhrdurchgangs 53 und des Kühlmittelausstoßdurchgangs 71 entgegen gesetzt zu dem Brennstoffzellenstack 20 verbunden. Der Kühlmittelzuführdurchgang 53 ist mit einer Kühlmittelzufuhrpumpe 54 als Kühlmittelpumpe und einem Filter 55 versehen. Der Kühlmittelausstoßdurchgang 71 ist mit einem Wärmetauscher 72 als Kühlvorrichtung zum Kühlen des Kühlmittels und einer Kühlmittelausstoßpumpe 51 als Kühlmittelpumpe versehen. Das Kühlmittel in dem Ausführungsbeispiel kann Wasser sein, jedoch kann es eine Frostschutzlösung oder jedes andere Fluid sein. Die Kühlmittelausstoßpumpe 51 und die Kühlmittelzufuhrpumpe 54 können jede Bauart sein, solange des das Kühlmittel, wie z.B. Wasser aufnimmt, um dieser durch diese hindurch auszustoßen. Der Filter 55 kann jede Bauart sein, solange er dazu dient, Staub, Verunreinigungen und dergleichen zu entfernen, die in dem Kühlmittel, wie z.B. Wasser, enthalten sind.
Das Kühlmittel, das zu dem Brennstoffzellenstack 20 zugeführt wird, wird durch den Kühlmitteldurchgang 45 innerhalb der Separatorbasis 41 (später beschrieben) der Separatoreinheit 12 bei jedem der Zellenmodule 10, um gekühlt zu werden. In diesem Fall zirkuliert das Kühlmittel innerhalb eines im Wesentlichen geschlossenen Kühlsystems, das durch Verbinden des Kühlmittelspeicherbehälters 52, des Kühlmittelzufuhrdurchgangs 53, des Brennstoffzellenstacks 20 und des Kühlmittelausstoßdurchgangs 71 ausgebildet wird, und wird niemals im Kontakt mit den Einheitenzellen 11 gebracht. Als Folge wird das Kühlmittel nicht im Kontakt mit solchen Elementen, die die Feststoffpolymerelektrolytmembran, der Katalysator, die Elektronen und dergleichen gebracht. Daher kann das Kühlmittel mit den Inhaltsstoffen, die die Element nachteilig beeinflussen können, die in der Einheitszelle 11 enthalten sind, wie z.B. die Frostschutzlösung verwendet werden.
Das Wasserstoffgas, das zu der Brennstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 zugeführt wird, und die Luft, die zu der Sauerstoffkammer zugeführt wird, haben ebenso eine Funktion zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks 20. Die Vorrichtung zum Zuführen des Wasserstoffgases als Brennstoffgas und der Luft als Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstack 20 funktioniert als eines der Kühlsysteme zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks 20. Wenn das Wasserstoffgas und die Luft verbraucht und nach außen ausgestoßen werden, kann die Vorrichtung zum Zuführen des Wasserstoffgases und der Luft als offenes Kühlsystem betrachtet werden. In diesem Fall tritt das Wasserstoffgas und die Luft durch das Zellenmodul 10, um gekühlt zu werden, während des solche Elemente, wie die Feststoffpolymerelektrolytmembran, den Katalysator und die Elektrode berührt, die in der Einheitszelle 11 enthalten sind. Wenn, wie vorstehend beschrieben ist, Wasser in die Luft, die zu der Sauerstoffkammer zugeführt wird, zugeführt wird, wird die Kühlfähigkeit verbessert. Der Brennstoffzellenstack 20 ist mit einem Voltmeter 78, der die Anschlussspannung des elektrischen Anschlusses (nicht gezeigt) misst, und einem Auslasslufttemperatursensor 74 versehen, der die Temperatur der Luft, die innerhalb des Brennstoffzellenstacks 20 zirkuliert, oder einer Temperatur der Luft erfasst, die von dem Brennstoffzellenstack 20 ausgestoßen wird. Der Kühlmittelspeicherbehälter 52 und der Wassersammelablauftank 60 sind mit Wasserstandssensoren 52a bzw. 60a zum Erfassen des Wasserstands versehen.
Im Allgemeinen kann eine Bleispeicherbatterie, eine Nickel/Cadmiumbatterie, eine Nickelhydridbatterie, eine Lithiumionenbatterie, eine Natriumschwefelbatterie als elektrische Speichervorrichtung in der Form der Sekundärbatterie eingesetzt werden. Jedoch ist die elektrische Speichervorrichtung nicht auf die Batterie beschränkt und kann jede Gestalt annehmen, solange sie eine Funktion zum elektrischen Speichern und Abgeben von Energie hat, beispielsweise ein Kondensator (Kondensor), wie z.B. ein elektrischer Doppelschichtkondensator, ein Schwungrad, eine sucherleitfähige Spule oder ein Druckreservoire. Eine der vorstehend erwähnten elektrischen Speichervorrichtungen oder eine Vielzahl davon kann unabhängig oder in Kombination verwendet werden.
Der Brennstoffzellenstack 20 bringt den elektrischen Strom auf die Last (nicht gezeigt) an, die damit verbunden ist. Die Last bedeutet hier im Allgemeinen eine Wandlereinheit, die als Antriebssteuereinheit dient, die den Gleichstrom von den Brennstoffzellenstack 20 oder der elektrischen Speichervorrichtung in einen Wechselstrom umwandelt, so dass dieser auf einen Antriebsmotor zum Drehen der Räder des Fahrzeugs zugeführt wird. Der Antriebsmotor funktioniert hier ebenso als Generator, der einen so genannten regenerativen elektrischen Strom in einem Verzögerungszustand des Fahrzeugs erzeugt. In diesem Fall wird der Antriebsmotor durch die Räder des Fahrzeugs gedreht, um eine elektrische Leistung zu erzeugen, der als Bremseinheit des Fahrzeugs zum Aufbringen der Bremskraft auf die Räder funktioniert. Der regenerative elektrische Strom wird zu der elektrischen Speichervorrichtung zugeführt, um in diese geladen zu werden.
In dem Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit auf, wie in 3 gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf ein Blockdiagramm von 3 ist eine Steuereinheit 81 ein Computer, der eine Berechnungseinheit, wie z.B. eine CPU oder eine MPU, eine Eingabe/Ausgabeschnittstelle und dergleichen aufweist, um Betriebe des Brennstoffzellensystems zu steuern. Die Steuereinheit 81 ist mit einem Speicher 82 als Datenspeichereinheit, wie z.B. einer elektromagnetischen Platte oder einem Halbleiterspeicher verbunden. Die Steuereinheit 81 ist mit dem Voltmeter 87, den Wasserstandssensoren 52a und 60a, den Wasserstoffdrucksensoren 27 und 28, dem Auslasslufttemperatursensor 74 und einem Wasserstoffkonzentrationssensor 83 verbunden, der die Konzentration des Wasserstoffgases erfasst, das von der Brennstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 20 ausgestoßen wird. Verschiedenartige Abgaben dieser Vorrichtungen werden in die Steuereinheit 81 eingegeben. Die Wasserstoffzufuhrdruckregulierventile 25a und 25b, das Wasserstoffausstoßventil 62, das Luftzufuhrgebläse 72, die Kühlmittelzufuhrpumpe 54 und die Kühlmittelausstoßpumpe 51 als Kühlmittelpumpe und eine Alarmeinrichtung 86, die einen Alarm bei einer Fehlfunktion und einem Unfall bei dem Brennstoffzellensystem abgibt, können mit der Steuereinheit 81 zum Steuern ihrer Betriebe verbunden sein.
Als nächstes wird ein Aufbau der Separatoreinheit 12 genau beschrieben.
1 ist eine Ansicht, die einen Aufbau der Separatoreinheit des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. 5 ist eine Schnittansicht, die einen Aufbau des Zellenmoduls des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 6 ist eine Grafik, die die Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 5 ist eine Vielzahl von Zellenmodulen 10 gestapelt, wobei jede eine Einheitszelle 11 und eine Separatoreinheit 12 hat. Die Separatoreinheit 11 verbindet die angrenzenden Einheitszellen 11 elektrisch und trennt eine Sauerstoffkammer als Durchgang, durch den Luft strömt und eine Brennstoffkammer als Durchgang, durch den Wasserstoffgas strömt, das in die Einheitszelle 11 strömt. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die einen vergrößerten Abschnitt der gestapelten Zellenmodule 10 darstellt. 5 ist eine Schnittansicht, die einen vergrößerten Abschnitt der gestapelten Zellenmodule 10 darstellt. Der Rahmen, der die Einheitszellen 11 stützt, und die Separatoreinheit 12 sind zum Zweck der Vereinfachung der Erklärung nicht gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 5 ist die Einheitszelle 11 aus einer Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a als Elektrolytschicht einer Ionenaustauschmembran, einer Luftelektrode 11b (Kathodenelektrode) als Sauerstoffelektrode, die an einer Seite der Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a vorgesehen ist, und einer Brennstoffelektrode 11c (Anodenelektrode) ausgebildet, die an der anderen Seite der Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a vorgesehen ist. Die Luftelektrode 11b und die Brennstoffelektrode 11c weisen Elektrodendiffusionsschichten auf, die jeweils aus einem leitfähigen Material ausgebildet sind, das eine Diffusion und eine Durchdringung des Reaktionsgases gestattet, und katalytische Schichten, die an der Elektrodendiffusionsschicht ausgebildet sind, einschließlich der katalytischen Substanz, die in Kontakt mit der Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a jeweils gestützt ist. Die Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a, die Luftelektrode 11b und die Brennstoffelektrode 11c sind in 1 nicht gezeigt.
Die Separatoreinheit 12 ist aus einer Separatorbasis 41, die als Gasblockelement zwischen den Einheitszellen 11 dient, einem Kollektor 14 an der Luftelektrodenseite, der als maschenförmiger Kollektor dient, der an einer Seite der Separatorbasis 41 zum Sammeln von Elektrizität in Kontakt mit der Elektrodendiffusionsschicht an der Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11a vorgesehen ist und mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist, die eine Durchdringung eines Luft-/Wassergemisches gestattet, und einem Kollektor 15 an der Brennstoffelektrodenseite ausgebildet, der als maschenförmiger Kollektor dient, der an der anderen Seite der Separatorbasis 41 ausgebildet ist, um Elektrizität nach außen zu fördern, nämlich in Kontakt mit der Elektrodendiffusionsschicht an der Brennstoffelektrode 11c der Einheitszelle 11. Der Kollektor 15 an der Brennstoffelektrodenseite ist in 1 zur Vereinfachung der Erklärung nicht gezeigt.
Jeder von dem Kollektor 14 an der Luftelektrodenseite und dem Kollektor 15 an der Brennstoffelektrodenseite ist aus einem leitfähigen Plattenwerkstoff ausgebildet, beispielsweise einer dünnen Metallplatte mit einer Dicke von ungefähr 0,2 mm. Die Separatorbasis 41 ist ein plattenförmiges Element, das aus einer dünnen Metallplatte mit einer Dicke ausgebildet ist, die geringer als diejenige der Kollektoren ist. Beispielsweise hat sie einen Doppelaufbau einschließlich eines ersten Plattenelements 41a und eines zweiten Plattenelements 41b mit einem darin ausgebildeten Kühlmitteldurchgang 45. Die Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite und die Separatorbasis 41 können ausgebildet werden, indem das Metall, das eine Leitfähigkeits- und Antikorrosionseigenschaft hat, wie z.B. Edelstahl, eine Nickellegierung und eine Titanlegierung, einer Antikorrosionsleitfähigkeitsbehandlung, wie z.B. Goldplattieren unterzogen wird.
Der Kollektor 14 an der Luftelektrode, der im Wesentlichen eine rechteckige Gestalt mit einer großen Länge in eine Querrichtung hat, ist aus einem porösen Körper ausgebildet. Der poröse Körper ist aus einem Metallplattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen mit dem Durchlassöffnungsverhältnis von 59% oder größer ausgebildet, wie z.B. ein ausgedehntes Metall und ein Stanzmetall. Die vorstehend beschriebene Metallplatte wird als eine gewellte Platte, die mit dünnen Erweiterungsvorsprüngen versehen ist, durch einen Pressbearbeitungsprozess ausgebildet. Jeder der Vorsprünge hat einen Seitenwandabschnitt 14b und einen spitzen Abschnitt 14c. Die Vorsprünge erstrecken sich in die Längsrichtung des Plattenwerkstoffs, nämlich in die vertikale Richtung in 5, wobei diese parallel bei gleichen Intervallen angeordnet sind, so dass sie über der Plattenfläche vollständig ausgebildet sind. Der Querschnitt des Vorsprungs ist als eine im Wesentlichen gewellte rechteckige Gestalt mit einem Basisabschnitt mit einer geringfügig größeren Breite ausgebildet, was sich aus dem Ausstanzen im Verlauf des Pressbearbeitens ergibt. Die Höhe des Vorsprungs ist im Wesentlichen die gleiche wie die Dicke des Rahmens (nicht gezeigt), so dass ein Luftdurchgang mit einer vorbestimmten Öffnungsfläche in Längsrichtung den Abschnitt zwischen der Elektrodendiffusionsschicht an der Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 und der Seitenfläche der Separatorbasis 41 in dem gestapelten Zustand durch Stechen ausgebildet ist. Unter Bezugnahme auf 1 stellt ein Pfeil A die Strömung von Luft dar, die in die Einheitszelle 11 eingeführt wird, um durch die Sauerstoffkammer zu strömen. Die ebene Fläche des Spitzenabschnitts 14c des Vorsprungs stößt gegen die Fläche der Separatorbasis 41 und eine ebene Fläche eines Basisabschnitts 14a des Vorsprungs stößt gegen die Elektrodendiffusionsschicht an der Seite der Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11.
Der Kollektor 15 an der Brennstoffelektrodenseite ist aus einem porösem Körper ausgebildet, der die gleiche Abmessung wie diejenige des Kollektors 14 an der Luftelektronenseite hat. Der poröse Körper ist aus einem Metallplattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen ausgebildet, wie z.B. einem gedehnten Metall und einem Stanzmetall. Die vorstehend beschriebene Metallplatte wird als eine gewellte Platte ausgebildet, die mit dünnen Erweiterungsvorsprüngen durch einen Pressbearbeitungsprozess ausgebildet wird. Jeder der Vorsprünge hat einen Seitenwandabschnitt 15b und einen Spitzenabschnitt 15c wie der Kollektor 14 an der Elektrodenseite. Die Vorsprünge erstrecken sich vertikal, wie in 5 gezeigt ist, und sind parallel bei gleichen Intervallen angeordnet, so dass sie über die Plattenfläche vollständig ausgebildet sind. Der Querschnitt des Vorsprungs ist im Wesentlichen in einer gewellten Gestalt ausgebildet, der einen Basisabschnitt mit einer geringfügig größeren Breite hat, was sich aus dem Ausstanzen im Verlauf des Pressbearbeitens ergibt. Die Höhe des Vorsprungs ist im Wesentlichen die gleiche wie die Dicke des Rahmens (nicht gezeigt), so dass ein Brennstoffgasdurchgang mit einer vorbestimmten Öffnungsfläche ausgebildet wird, um in Längsrichtung durch den Abschnitt zwischen der Elektrodendiffusionsschicht an der Brennstoffelektrode 11c der Einheitszelle 11 und der Seitenfläche der Separatorbasis 41 in dem gestapelten Zustand durchzustechen. Die ebene Fläche des Spitzenabschnitts 15c des Vorsprungs stößt gegen die Seitenfläche der Separatorbasis 41 an und eine ebene Fläche eines Basisabschnitts 15a des Vorsprungs stößt gegen die Elektrodendiffusionsschicht an der Seite der Brennstoffelektrode 11c der Einheitszelle 11 an.
Die Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite sind angeordnet, um einen Separatorbasis 41 dazwischen zu legen, wobei die jeweiligen Basisabschnitte 14a und 15a nach außen angeordnet sind. Die jeweiligen Spitzenabschnitte 14c und 15c der Vorsprünge der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite stoßen gegen die Separatorbasis 41 an, um eine Aufbringen eines elektrischen Stroms dazwischen zu gestatten. Der Luftdurchgang, nämlich die Sauerstoffkammer an einer Seite der Separatorbasis 41, und der Brennstoffgasdurchgang, nämlich die Brennstoffkammer an der anderen Seite davon, können durch Stapeln der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite ausgebildet werden, die die dazwischen gelegte Separatorbasis 41 haben. Luft wird von der Sauerstoffkammer in die Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 zugeführt, und in ähnlicher Weise wird Wasserstoffgas von der Brennstoffkammer in die Brennstoffelektrode 11c der Einheitszelle 11 zugeführt.
Wasser kann durch die Einheitszelle 11 strömen. Wenn das Wasserstoffgas als Brennstoffgas in die Brennstoffkammer zugeführt wird, die mit dem Kollektor 15 an der Brennstoffelektrode versehen ist, wird Wasserstoff in Wasserstoffionen (Protonen und Elektronen) zersetzt. Die Wasserstoffionen durchdringen die Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a gemeinsam mit dem Wasser als Träger. In dem Fall, dass die Luftelektrode 11b als Kathodenelektrode dient und das Luft als Oxidationsmittel in die Sauerstoffkammer zugeführt wird, wird Sauerstoff, das in der Luft enthalten ist, mit dem Wasserstoffion und dem Elektron verbunden, um Wasser zu erzeugen. Der Wassergehalt durchdringt die Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a als Gegendiffusionswasser, um in die Brennstoffkammer zu strömen. Das Gegendiffusionswasser bedeutet Wasser, das in der Sauerstoffkammer erzeugt wird, das innerhalb der Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a diffundiert und durch diese in die Richtung dringt, die umgekehrt zu derjenigen des Wasserstoffions ist, um die Brennstoffkammer zu erreichen.
Die Separatorbasis 41 ist mit einem Kühlmitteleinlassrohr und einem Kühlmittelauslassrohr verbunden. Das Kühlmittel, das durch das Kühlmitteleinlassrohr eintritt, tritt durch den Kühlmitteldurchgang 45, der innerhalb der Separatorbasis 41 ausgebildet ist, zum Kühlen und wird durch das Kühlmittelauslassrohr ausgestoßen. Das Kühlmittel, das zum Durchströmen des geschlossenen Kühlsystems verwendet wird, wird dem Brennstoffzellenstack 20 durch den Kühlmittelzufuhrdurchgang 53 zugeführt, um in das Kühlmitteleinlassrohr durch den (nicht gezeigten) Durchgang zu strömen, der innerhalb des Brennstoffzellenstacks 20 ausgebildet ist. Das durch das Kühlmittelauslassrohr ausgestoßene Kühlmittel tritt in den Kühlmittelausstoßdurchgang 71 durch den (nicht gezeigten) Durchgang in dem Brennstoffzellenstack 20 ein, um von diesem ausgestoßen zu werden. Der Kühlmitteldurchgang 51 kann mit einer geradlinigen, serpentinenförmigen oder gewundenen Gestalt mit einer vergrößerten Länge ausgebildet werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist die Separatorbasis 41 ausgebildet, indem das erste Plattenelement 41a mit dem zweiten Plattenelement 41b gefügt wird. In diesem Fall wird eine Vertiefung mit einer frei wählbaren Gestalt in der inneren Fläche des zweiten Plattenelements unter Verwendung einer photolithografischen Technologie, wie z.B. chemischen Ätzen ausgebildet. Das erste Plattenelement 41a wird dann an die mit der Vertiefung versehene Fläche an das zweite Plattenelement 41b gestapelt, um die Separatorbasis 41 mit dem Kühlmitteldurchgang 45 darin auszubilden. In diesem Fall werden beide Seitenflächen der Separatorbasis 41 an den jeweiligen Punkten zum Zweck der Verbesserung der Leitfähigkeit an dem Abschnitt dazwischen gefügt. Vorzugsweise sind die äußeren Flächen der Separatorbasis 41 eben ohne Unregelmäßigkeit. Das stellt sicher, dass die äußere Fläche der Separatorbasis 41 in Kontakt mit den Spitzenabschnitten 14c und 15c der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite steht, was somit die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit dazwischen verbessert.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist jeder der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite so ausgebildet, dass das Durchlassöffnungsverhältnis örtlich verändert ist. Beispielsweise sind sie so ausgebildet, dass jeder der Basisabschnitte 14a und 15b, nämlich der Elektrodenanstoßabschnitt, der gegen die Einheitszelle 11a als MEA-Kontaktabschnitt anstößt, das höchste Durchlassöffnungsverhältnis hat, wobei jeder der Spitzenabschnitte 14c und 15c, nämlich der Separatoranstoßabschnitt, der an die Separatorbasis 41 als Separatorkontaktabschnitt anstößt, das geringste Durchlassöffnungsverhältnis hat, und wobei jeder der Seitenwandabschnitte 14b und 15b als Rippenausbildungsabschnitt das Durchlassöffnungsverhältnis in dem Bereich zwischen denjenigen von 14a, 15a sowie 14c, 15c hat. Jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Seitenwandabschnitte 14b und 15b kann auf den Wert eingestellt werden, der demjenigen des Spitzenabschnitts 14c oder 15c gleich ist. Das Durchlassöffnungsverhältnis an den jeweiligen Bereichen der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite ist nämlich so eingestellt, dass es in die Stapelrichtung (die vertikale Richtung, die in 5 gezeigt ist) der Einheitszelle 11 abgestuft ist und sich verändert, wie durch die folgende Gleichung definiert ist. Durchlassöffnungsverhältnis an MEA-Kontaktabschnitt > Durchlassöffnungsverhältnis an Rippe ≥ Durchlassöffnungsverhältnis an Separatorkontaktabschnitt (1)
Jeder der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite hat maschenförmige Öffnungen, so dass jeweilige Strömungen des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer nicht durch die Kollektoren 14 und 15 unterbrochen werden. Der Wasserstoff innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer stehen in ausreichendem Kontakt mit den Elektrodendiffusionsschichten der Brennstoffelektrode 11c und der Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 durch die Öffnungen der Basisabschnitte 14a und 15a in Kontakt damit. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer können durch die Öffnungen der Seitenwandabschnitte 14b und 15b strömen, was somit die problemlose Strömung des Wasserstoffgases in der Brennstoffkammer und der Luft in der Sauerstoffkammer vereinfacht.
In dem Fall, dass ein Wassertropfen in der Sauerstoffkammer aufgrund des erzeugten Wassers oder des in die Luft zugeführten Wassers erzeugt wird und ein solcher Tropfen den Durchgang zwischen den angrenzenden Basisabschnitten 14a blockiert, kann die Luft in den angrenzenden Durchgang durch die Öffnungen, die in dem Seitenwandabschnitt 14b ausgebildet sind, ohne Unterbrechung strömen. Die gleiche Wirkung kann in dem Fall erhalten werden, dass der Tropfen in der Brennstoffkammer auf Grund des Gegendiffusionswassers erzeugt wird.
Die Einheitszellen 11 werden durch die Separatorbasis 41 gekühlt, die als Wärmetauscher in einem geschossenen Kühlsystem dient. Die in den jeweiligen Einheitszellen 11 erzeugte Wärme wird zu der Separatorbasis 41 durch die Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite und weitergehend auf das Kühlmittel übertragen, dass innerhalb der Separtorbasis 41 zirkuliert. Die in den jeweiligen Einheitszellen 11 erzeugte Elektrizität wird ebenso gut auf die Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite übertragen.
Die in der Einheitszelle 11 erzeugte Wärme wird auf die Basisabschnitte 14a und 15a von den äußeren Flächen der Luftelektrode 11b und der Brennstoffelektrode 11c und weitergehend auf die Separatorbasis 41 von den Spitzenabschnitten 14c und 15c durch die Seitenwandabschnitte 14b und 15b übertragen. Unter der Annahme, dass jedes der Durchlassöffnungsverhältnisse des Kollektors 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite in allen Bereichen konstant gehalten wird, wird die Wärmeleitfähigkeit in jedem der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite in allen Bereichen konstant. In diesem Fall wird dann, wenn die Flächen der Basisabschnitte 14a und 15a größer als diejenigen der Spitzenabschnitte 14c und 15c sind, die Wärmeenergie pro Flächeneinheit, die auf die Spitzenabschnitte 14c und 15c übertragen wird, größer als diejenige, die auf die Basisflächen 14a und 15a übertragen wird. Als Folge wird der thermische Widerstand an den Spitzenabschnitten 14c und 15c größer als an den Basisabschnitten 14a und 15a. Wenn sich das Durchlassöffnungsverhältnis vergrößert, wird die Wärmeleitfähigkeit an den Seitenwandabschnitten 14b und 15b verringert, was somit den thermischen Widerstand erhöht. Wenn insbesondere Wasser in die Luft zugeführt wird, funktionieren die Seitenwandabschnitte 14b und 15b als Kühlrippen, nämlich als Wärmetauscher. Da sich das Durchlassöffnungsverhältnis vergrößert, wird die Fläche, die den Seitenwandabschnitten 14b und 15b gestattet, als Kühlrippen zu dienen, verringert, was somit den thermischen Widerstand vergrößert. Wenn jeder thermische Widerstand der Basisabschnitte 14a und 15a und der Seitenwandabschnitte 14b und 15b sich erhöht, tritt eine Temperaturverteilung in die Stapelrichtung der Einheitszelle 11 auf, wie vorstehend beschrieben ist. Das kann die Temperaturen der Luftelektrode 11b und der Brennstoffelektrode 11c erhöhen. Daher wird die Menge des Wassers, das aus der Einheitszelle 11 durch die Luftelektrode 11b und die Brennstoffelektrode 11c dissipiert, übermäßig, so dass sich die Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle 11 verringert. Das kann die Energieerzeugungseffizienz in der Einheitszelle 11 verringern.
In dem Ausführungsbeispiel ist jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite in Stapelrichtung der Einheitszellen 11 abgestuft und verändert sich, wie in der Gleichung (1) definiert ist. Da jeder der Spitzenabschnitte 14c und 15c ein geringes Durchlassöffnungsverhältnis hat und eine hohe Flächendichte hat, wird die Wärmeenergie pro Flächeneinheit, die übertragen werden kann, erhöht und wird der thermische Widerstand verringert. Jeder der Seitenwandabschnitte 14b und 15b hat ebenso ein geringes Durchlassöffnungsverhältnis und eine hohe Flächendichte. Demgemäß wird die Wärmeenergie pro Flächeneinheit, die übertragen werden kann, erhöht und wird der thermische Widerstand verringert. Das kann die Temperaturverteilung in Stackerichtung der Einheitszellen 11 beseitigen, und demgemäß wird jede Temperatur der Luftelektrode 11b und der Brennstoffelektrode 11c nicht erhöht. Das ermöglicht es, jeweils die Menge des Wassers, das aus der Einheitszelle 11 durch die Luftelektrode 11b dissipiert, wie durch einen Pfeil C in 5 gezeigt ist, und des Wassers, das aus der Einheitszelle 11 durch die Brennstoffelektrode 11c dissipiert, wie durch einen Pfeil Darstellt in 5 gezeigt ist, zu verringern. Die Feuchte innerhalb der Einheitszelle 11 kann geeignet aufrechterhalten werden, und die Energieerzeugungseffizienz in der Einheitszelle 11 kann ebenso verbessert werden. 6 ist eine Grafik, die die Energieerzeugungsleistung darstellt, die sich gemäß dem Durchlassöffnungsverhältnis des Kollektors 14 an der Luftelektrodenseite und des Kollektors 15 an der Brennstoffelektrodenseite im Zustand geringer Feuchte, nämlich in dem Zustand ändert, in dem die Einheitszelle 11 sich in einem relativ trockenen Zustand befindet. Unter Bezugnahme auf 6 stellt die Ytriumoxid-Sinterkörper-Achse die Spannung der Einheitszelle 11 dar und stellt die X-Achse die Stromdichte dar. Die Linie 47, die durch Auftragen der ausgefüllten Dreiecksmarkierungen als experimentelle Ergebnisse ausgebildet wird, stellt den Fall dar, bei dem jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite für alle Bereiche konstant gehalten ist. Die Linie 48, die durch Auftragen der gefüllten Quadratmarkierungen als experimentelle Ergebnisse ausgebildet ist, stellt den Fall dar, bei dem jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite in Stackerichtung der Einheitszelle 11 abgestuft ist und sich verändert, wie in der Gleichung (1) definiert ist. Wie in 6 gezeigt ist, wird in dem Fall, dass jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite in die Stackerichtung der Einheitszelle 11 abgestuft ist und sich verändert, wie in der Gleichung (1) definiert ist, die Energieerzeugungseffizienz in der Einheitszelle 11 verbessert.
Da jeder der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite die maschenförmigen Öffnungen hat, werden die Strömungen des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer nicht durch diese Kollektoren 14 bzw. 15 unterbrochen. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer werden nämlich ausreichend in Kontakt mit den Elektrodendiffusionsschichten der Brennstoffelektrode 11c und der Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 durch die Öffnungen der Basisabschnitte 14a und 15a in Kontakt mit der Einheitszelle 11 gebracht. Da ebenso das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer durch die Öffnungen der Seitenwandabschnitte 14b und 15b strömen können, wird jede Strömung des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer gleichmäßig. Insbesondere in dem Fall, dass ein Wassertropfen in der Sauerstoffkammer auf Grund des erzeugten Wassers oder des in die Luft zugeführten Wassers erzeugt wird und der Tropfen den Durchgang zwischen angrenzenden Basisabschnitten 14a blockiert, kann die Luft in den angrenzenden Durchgang durch die Öffnungen des Seitenwandabschnitts 14b ohne Unterbrechung strömen. Die gleiche Wirkung kann in dem Fall erhalten werden, dass der Tropfen in der Brennstoffkammer auf Grund des Gegendiffusionswassers erzeugt wird.
Als nächstes werden Betriebe des Brennstoffzellensystems mit dem vorstehend angegebenen Aufbau beschrieben.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Startbetrieb des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 8 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Luftzufuhrmengensteuerung für das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Der Prozess für den Startbetrieb wird beschrieben. In Schritt S1 wird ein (nicht gezeigter) Startschalter durch einen Betreiber zum Starten des Brennstoffzellensystems auf EIN geschaltet. Dann wird in Schritt S2 die Kühlmittelzufuhrpumpe 54 und die Kühlmittelausstoßpumpe 51, nämlich die Kühlmittelpumpe auf EIN geschaltet. Das Kühlmittel beginnt zu zirkulieren, indem es durch den Kühlmitteldurchgang 45 innerhalb der Separatorbasis 41 strömt. Dann wird in Schritt S3 die Vorrichtung zum Zuführen der Luft als Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstack 20, nämlich das Luftzufuhrsystem auf EIN geschaltet. In diesem Fall wird eine Steuerung zum Maximieren der Menge der zugeführten Luft durch das Luftzufuhrgebläse 75 ausgeführt, so dass keine unnormale Reaktion in der Einheitszelle 11 des Brennstoffzellenstacks 20 auftritt. Dann wird in Schritt S4 die Vorrichtung zum Zuführen von Wasserstoffgas als Brennstoffgas zu dem Brennstoffzellenstack 20, nämlich das Wasserstoffzufuhrsystem auf EIN geschaltet. Somit endet der Startbetrieb. Der Brennstoffzellensystembetrieb geht in die normale Betriebsphase über, so dass die durch den Brennstoffzellenstack 20 erzeugte Elektrizität zu Lasten oder der Sekundärbatterie zugeführt wird.
In dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Versprühen von Wasser in die Luft versehen ist, die in die Sauerstoffkammer zugeführt wird, ist es vorzuziehen, die Zufuhr des Wassers in die Luft, die in die Sauerstoffkammer zugeführt wird, zu starten, bevor das Wasserstoffzufuhrsystem auf EIN geschaltet wird. Andernfalls kann eine unnormale Verbrennung durch die Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Feststoffpolymermembran 11a in einem trockenen Zustand verursacht werden, da Luft innerhalb der Einheitszelle 11 zum Zeitpunkt des Starts des Brennstoffzellensystems ungeachtet der Tatsache vorhanden ist, ob das Luftzufuhrsystem auf EIN geschaltet ist oder nicht. Die Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 muss vorläufig in einem feuchten Zustand durch Zuführen von Wasser vor der Zufuhr des Wasserstoffgases gebracht zu werden, um die Einheitszelle 11 in dem Fall nicht zu beschädigen, dass unnormale Wärme auf Grund der unnormalen Verbrennung erzeugt wird. Die unnormale Wärme kann in Verdampfungswärme umgewandelt werden, so dass die Befeuchtung der Feststoffpolymerelektrolytmembran 11a vereinfacht wird, um dadurch den Schaden an der Einheitszelle 11 zu verhindern.
Nach dem Ende der Startroutine wird die Steuerung der Wasserstoffgaszufuhrmenge, der Luftzufuhrmenge, der Wasserzufuhrmenge gleichzeitig ausgeführt. Bei der Steuerung der Wasserstoffgaszufuhrmenge werden die Wasserstoffzufuhrdruckregulierventile 25a und 25b so eingestellt, dass das Wasserstoffgas zu der Brennstoffelektrode 11c bei einer vorbestimmten Konzentration zugeführt wird, die gleich der Explosionsgrenze oder darunter ist. Das Wasserstoffausschlussventil 62, das während des Starts geschlossen ist, wird auf der Grundlage der vorbestimmten Regel geöffnet, um das Brennstoffgas bei einem verringertem Wasserstoffpartialdruck auszustoßen, um das atmosphärische Gas der Brennstoffelektrode 11c zu erneuern. Die vorbestimmte Regel, die vorstehend beschrieben ist, ist in dem Speicher 82 gespeichert, der auf die bei der Ausführung der Regulierung der Wasserstoffzufuhrdruckregulierventile 25a und 25b Bezug genommen wird und dem Schaltbetrieb des Wasserstoffausstoßventils 62 durch die Steuerung 81 Bezug genommen wird. Das Wasserstoffausstoßventil 62 wird während des Betriebs zum Stabilisieren der Spannung geeignet geöffnet. Das Wasserstoffausstoßventil 62 wird auf Grund der Tatsache geöffnet, dass dann, wenn das Brennstoffzellensystem betrieben wird, während das Wasserstoffausstoßventil 62 geschlossen gehalten wird, der Partialdruck des durch die Brennstoffelektrode 11c verbrauchten Wasserstoffs allmählich unter dem Einfluss von N₂, O₂ oder dem erzeugten Wasser verringert wird, das in die Luftelektrode 11b eindringt, und wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstacks 20 entsprechend verringert.
Bei der Luftzufuhrmengensteuerung wird zuerst in Schritt S11 die Temperatur der Luft unmittelbar nach dem Ausstoß aus dem Brennstoffzellenstack 20 durch den Auslasslufttemperatursensor 74 erfasst. Dann bestimmt in Schritt S12 die Steuereinheit 81, ob die erfasste Temperatur der ausgestoßenen Luft gleich wie oder niedriger als 80°C ist. Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur der ausgestoßenen Luft nicht gleich wie oder niedriger als 80°C ist, wenn Sie nämlich 80°C übersteigt, schreitet der Prozess zu Schritt S13 weiter, bei dem ein Luftvolumen durch die Steuereinheit 81 erhöht wird, um das Verbrennen der Einheitenzelle 11 zu verhindern. Genauer gesagt wird die Luftzufuhrmenge durch Erhöhen der Drehzahl des Luftzufuhrgebläses 75 erhöht, um die Temperatur der Luftelektrode 11b zu verringern, die als Wärmequelle dient.
Wenn unterdessen bestimmt wird, dass die Temperatur der Ausstoßluft gleich wie oder niedriger als 80°C ist, schreitet der Prozess zu Schritt S14 weiter, bei dem die Last des Brennstoffzellenstacks 20, nämlich die Last der Brennstoffzelle erfasst wird. Dann bestimmt in Schritt S15 die Steuereinheit 81, ob die Luftzufuhrmenge, nämlich das Volumen geeignet ist. In diesem Fall wird eine Bestimmung durch Bezugnahme auf die Tabelle zwischen der Beziehung zwischen der Last des Brennstoffzellenstacks 20 und des in den jeweiligen Zuständen erforderliche Luftvolumens vorgenommen, die in dem Speicher 72 gespeichert ist. Wenn bestimmt wird, dass das Luftvolumen ungeeignet ist, stellt die Steuereinheit 81 das Luftvolumen in Schritt S16 ein. Genauer gesagt wird die Drehzahl des Luftzufuhrgebläses 7 zum Steuern des Luftvolumens eingestellt. Wenn bestimmt wird, dass das Luftvolumen geeignet ist, endet der Prozess.
Bei der Wasserstoffgaszufuhrmengensteuerung wird der Wasserstoffgasdruck an der Brennstoffspeichereinheit 73 durch die Wasserstoffdrucksensoren 27 und 28 erfasst. Die Steuereinheit 81 reguliert die Wasserstoffzufuhrdruckregulierventile 25a und 25b, um dadurch den Druck des Wasserstoffgases, das zu dem Brennstoffzellenstack 20 zugeführt wird, auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Die Steuereinheit 81 steuert einen Schaltbetrieb des Brennstoffzufuhrelektromagnetventils 26, um die Wasserstoffgaszufuhr zu dem Brennstoffzellenstack 20 zu steuern. Das Brennstoffzufuhrelektromagnetventil 26 kann zum Abschalten der Zufuhr des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstack 20 geschlossen werden.
In dem Ausführungsbeispiel verändert sich jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite örtlich, so dass es in die Stackerichtung der Einheitszellen 11 abgestuft ist. Das kann die Temperaturverteilung in Stackerichtung der Einheitszellen 11 beseitigen und die Erhöhung der Temperaturen der Luftelektrode 11b und der Brennstoffelektrode 11c verhindern. Das macht es möglich, die Menge des Wassers, das aus der Einheitszelle 11 durch die Luftelektrode 11b und die Brennstoffelektrode 11c dissipiert, zu unterdrücken. Die Feuchte innerhalb der Einheitszelle 11 kann geeignet aufrechterhalten werden, um die Energieerzeugungseffizienz der Einheitszelle 11 zu verbessern.
Da die Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite maschenförmige Öffnungen haben, wird die jeweilige Strömung des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer nicht durch diese Kollektoren 14 und 15 unterbrochen. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffelektrode und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer werden nämlich ausreichend in Kontakt mit den Elektrodendiffusionsschichten an der Brennstoffelektrode 11c und der Luftelektrode 11b durch die Öffnungen der Basisabschnitte 14a und 15a in Kontakt mit der Einheitszelle 11 gebracht. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer können durch die Öffnungen der Seitenwandabschnitte 14b und 15b strömen, was somit die Strömungen des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer gleichmäßig macht. Insbesondere in dem Fall, dass ein Wassertropfen, das in der Sauerstoffkammer auf Grund des erzeugten Wassers oder des in die Luft zugeführten Wassers erzeugt wird, den Durchgang zwischen angrenzenden Basisabschnitten 14a blockiert, kann Luft in den angrenzenden Durchgang durch Öffnungen des Seitenwandabschnitts 14b ohne Unterbrechung strömen. Die gleiche Wirkung kann in dem Fall erhalten werden, in dem der Tropfen in der Brennstoffkammer auf Grund des Gegendiffusionswassers erzeugt wird.
Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Beispiel, bei dem jedes Durchlassöffnungsverhältnis der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite mit Bezug auf die Stackerichtung der Einheitszellen 11 abgestuft ist, um die Temperaturverteilung in Stackerichtung der Einheitszellen 11 zu beseitigen. Jedoch kann die Temperaturverteilung in die Stackerichtung der Einheitszellen 11 ebenso durch Ausbilden der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite unter Verwendung einer Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen beseitigt werden. In diesem Fall würde der Werkstoff, der die Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite ausbildet, teilweise geändert, so dass der Werkstoff, der die Basisabschnitte 14a und 15a als MEA-Kontaktabschnitte in Kontakt mit der Einheitszelle 11 ausbildet, die geringste Wärmeleitfähigkeit hat, wobei der Werkstoff, der die Spitzenabschnitte 14c und 15c als Separatorkontaktabschnitte in Kontakt mit der Separatorbasis 41 ausbildet, die höchste Wärmeleitfähigkeit hat, und wobei der Werkstoff, der die Seitenwandabschnitte 14b und 15b als Rippenausbildungsabschnitte ausbildet, die Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich zwischen denjenigen der Basisabschnitte 14a und 15a und der Spitzenabschnitte 14c und 15c hat. Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs, das die Seitenwandabschnitte 14b und 15b ausbildet, kann die gleiche wie diejenige des Werkstoffs sein, der die Spitzenabschnitte 14c und 15c ausbildet. Auf diesem Weg kann der thermische Widerstand an den jeweiligen Bereichen der Kollektoren 14 und 15 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite in Stapelrichtung der Einheitszellen 11 abgestuft werden und sich ändern, die Durch die folgende Gleichung (2) definiert ist: Thermischer Widerstand von MEA-Kontaktabschnitt > thermischer Widerstand von Rippenabschnitt ≥ thermischer Widerstand von Separatorkontaktabschnitt (2)
Als nächstes wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die gleichen Elemente wie diejenigen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Erklärung wird somit weggelassen. Die Erklärung mit Bezug auf die gleichen Vorgänge und Wirkungen wie diejenigen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten werden, wird ebenso weggelassen.
9 stellt einen Aufbau des Kollektors an der Luftelektrodenseite bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. 9A ist eine Draufsicht, die den Aufbau des Kollektors an der Luftelektrodenseite darstellt, und 9B ist eine Ansicht entlang einer Linie E-E von 9A.
In dem Ausführungsbeispiel weist ein Kollektor 81 an der Luftelektrodenseite eine Ebene plattenförmige Basis 81a und eine Vielzahl von Vorsprüngen 81b auf, die an der Basis 81a ausgebildet sind, wie in 9 gezeigt ist. Wie in dem Fall des Ersten Ausführungsbeispiels ist der Kollektor 81 an der Luftelektrodenseite ein poröser Körper, der aus einem Metallplattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen ausgebildet ist, beispielsweise einem ausgedehnten Metall, einem Stanzmetall oder ähnlichem. Die Vorsprünge 81b werden durch den Pressbearbeitungsprozess ausgebildet. Der Kollektor 81 an der Luftelektrodenseite ist in der Sauerstoffkammer innerhalb der Einheitszelle 11 durch Anstoßen der Basis 81b gegen die Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 und Anstoßen der Spitzenabschnitte der Vorsprünge 81b gegen die Seitenfläche der Separatorbasis 81 vorgesehen. In diesem Fall kann, da die Vorsprünge 81b eine Turbolenz in der Luft verursachen, die durch die Sauerstoffkammer strömt, die Wärmeaustauscheffizienz zwischen der Luft und dem Kollektor 81 an der Luftelektrodenseite und der Einheitswelle 11 verbessert werden. Die sich ergebende Luftkühlfähigkeit kann somit verbessert werden. Die Kühlfähigkeit wird weitergehend dadurch verbessert, dass das Durchlassöffnungsverhältnis der Vorsprünge 81b geringer als das der Basis 81a ausgeführt wird, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen.
Der Kollektor an der Brennstoffelektrodenseite kann so ausgebildet werden, dass er in ähnlichem Aufbau wie demjenigen des Kollektors 81 an der Luftelektrodenseite hat. In diesem Fall kann, da die Turbolenz in dem Wasserstoffgas auftritt, das durch die Brennstoffkammer strömt, die Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Wasserstoffgas und dem Kollektor an der Brennstoffelektrodenseite und der Brennstoffzelle 11 verbessert werden. Somit wird die sich ergebende Wasserstoffgaskühlfähigkeit verbessert.
Als nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Elemente des gleichen Aufbaus wie diejenigen, die in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Erklärung wird somit weggelassen. Die Erklärung mit Bezug auf die gleichen Vorgänge und Wirkungen wie diejenigen, die in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen erhalten werden, wird ebenso weggelassen.
10 ist eine Ansicht, die einen Aufbau des Kollektors an der Luftelektrodenseite in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
In dem Ausführungsbeispiel ist ein Kollektor 82 an der Luftelektrodenseite als gewellte Platte einschließlich einer ebenen plattenförmigen Basis 82a und dünner Vorsprungsabschnitte 82b, die an der Basis 82a ausgebildet sind, durch einen Pressbearbeitungsprozess ausgebildet. Wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels ist der Kollektor 82 an der Luftelektrodenseite ein poröser Körper, der aus einem Metallplattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen ausgebildet ist, wie z.B. ein ausgedehntes Metall, ein Stanzmetall und dergleichen. Der Kollektor 82 an der Luftelektrodenseite ist mit der Sauerstoffkammer innerhalb der Einheitszelle 11 durch Anstoßen des Basis 82a gegen die Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 und Anstoßen der Spitzenabschnitte der Vorsprungabschnitte 82b gegen die Seitenfläche der Separatorbasis 41 vorgesehen.
Die Vorsprungabschnitte 82b erstrecken sich in die Luftströmungsrichtung, nämlich eine vertikale Richtung in 10. Sie sind in eine Vielzahl von Abschnitten in die vertikale Richtung geteilt, so dass jedes geteilte Ende der Vorsprungabschnitte verschoben ist, so dass es außerhalb der Ausrichtung mit Bezug auf das entsprechend entgegen gesetzte geteilte Ende der Vorsprungabschnitte in die Querrichtung liegt. In ähnlicher Weise sind die Basisabschnitte zwischen den angrenzenden Vorsprungsabschnitten 82b ebenso in eine Vielzahl von Abschnitten in die vertikale Richtung geteilt, so dass jedes geteilte Ende der Basisabschnitte verschoben ist, so dass es außerhalb der Ausrichtung mit Bezug auf das entsprechend entgegen gesetzte geteilte Ende der Basisabschnitte in Querrichtung liegt. Der vorstehend erwähnte Aufbau verursacht eine Turbolenz in der Luft, die durch die Sauerstoffkammer strömt, was somit der thermische Austauscheffizienz zwischen Luft und dem Kollektor 82 an der Luftelektrodenseite und der Einheitszelle 11 verbessert, was die Luftkühlfähigkeit verbessert. Das Durchlassöffnungsverhältnis der Vorsprungabschnitte 82b ist geringer als dasjenige des Basisabschnitts 82a ausgeführt, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen, so dass die Kühlfähigkeit weitergehend verbessert wird.
Der Kollektor an der Brennstoffelektrodenseite kann den gleichen Aufbau wie diejenigen des Kollektors 82 an der Luftelektrodenseite haben. In diesem Fall wird, da die Turbolenz in dem Wasserstoffgas auftritt, das durch die Brennstoffkammer strömt, die thermische Austauscheffizienz zwischen dem Wasserstoffgas und dem Kollektor an der Brennstoffelektrodenseite und der Einheitszelle 11 ebenso wie die Kühlfähigkeit des Wasserstoffgases verbessert.
Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beschrieben. Die Elemente mit dem gleichen Aufbau wie diejenigen, die in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen beschrieben sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und somit werden ihre Erklärungen weggelassen. Die Erklärung mit Bezug auf die gleichen Vorgänge und Wirkungen wie diejenigen, die in den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen erhalten werden, wird ebenso weggelassen.
11 ist eine Ansicht, die einen Aufbau der Kollektoren an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
In dem Ausführungsbeispiel ist ein Kollektor 83 an der Luftelektrodenseite als gewellte Platte einschließlich dünner Vorsprungabschnitte 83b ausgebildet, die durch den Pressbearbeitungsprozess ausgebildet werden. Die Vorsprungabschnitte 83b erstrecken sich entlang der längsgerichteten Seite des Plattenwerkstoffs und sind bei gleichen Intervallen parallel über die gesamte Plattenfläche angeordnet. Der Querschnitt des Vorsprungsabschnitts 83b hat eine im Wesentlichen gewellte rechteckige Gestalt, wobei dessen Basisabschnitt geringfügig verbreitert ist, was sich aus dem Ausstanzprozess beim Pressbearbeiten ergibt. In ähnlicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Kollektor 83 an der Luftelektrode ein poröser Körper, der aus einem Metallplattenwerkstoff mit taschenförmigen Öffnungen ausgebildet ist, beispielsweise ein ausgedehntes Metall, ein Stanzmetall und dergleichen. Der Kollektor 83 an der Luftelektrodenseite ist in der Sauerstoffkammer innerhalb der Einheitszelle 11 durch Anstoßen der ebenen Fläche des Basisabschnitts 83a zwischen den Vorsprungabschnitten 83b gegen die Luftelektrode 11b der Einheitszelle 11 und durch Anstoßen des Spitzenabschnitts des Vorsprungabschnitts 83b gegen die Seitenfläche der Separatorbasis 41 vorgesehen. Die Separatorbasis 41 an der Sauerstoffkammerseite ist in 11 nicht gezeigt.
Wie in dem Fall des Kollektors 83 an der Luftelektrodenseite ist der Kollektor 84 an der Brennstoffelektrodenseite ein poröser Körper, der mit einer Vielzahl von dünnen Vorsprungabschnitten 84b versehen ist, die durch den Pressbearbeitungsprozess ausgebildet werden. Er kann aus einem Metallplattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen ausgebildet werden, beispielsweise einem ausgedehntem Metall, einem Stanzmetall und dergleichen. Der Kollektor 84 an der Brennstoffelektrodenseite ist in der Brennstoffkammer innerhalb der Einheitszelle 11 durch Anstoßen der ebenen Fläche des Basisabschnitts 84a zwischen den Vorsprungabschnitten 84b gegen die Brennstoffelektrode 11c der Einheitszelle 11 und durch Anstoßen des Spitzenabschnitts des Vorsprungabschnitts 84b gegen die Seitenfläche der Separatorbasis 41 vorgesehen.
Der Abschnitt zwischen den Vorsprungabschnitten 82b des Kollektors 83 an der Luftelektrodenseite ist mit einer Blende 85 versehen. Die Blende 85 kann aus einem Plattenwerkstoff ohne Öffnung oder aus einem Plattenwerkstoff mit Öffnungen ausgebildet werden, wie z.B. einem ausgedehnten Metall und einem Stanzmetall mit den maschenförmigen Öffnungen. In diesem Fall hat die Blende 85 vorzugsweise eine Fläche, die geringer als der Querschnitt des Durchgangs zwischen den Vorsprungabschnitten 83b ist, und ist so vorgesehen, dass sie orthogonal zu dem Durchgang liegt.
Da die Blende 85 die Turbolenz in der Luft verursacht, die durch die Sauerstoffkammer strömt, wird die thermische Austauscheffizienz zwischen der Luft und dem Kollektor 83 an der Luftelektrodenseite und der Einheitszelle 11 verbessert, was somit die Luftkühlfähigkeit verbessert. Luft innerhalb der Sauerstoffkammer kann durch die Öffnungen des Vorsprungabschnitts 83b strömen. Auch in dem Fall, dass die Strömung der Luft zwischen den Vorsprungabschnitten 83b durch die Blende 85 unterbrochen ist, kann sie in den angrenzenden Durchgang durch die Öffnungen des Vorsprungabschnitts 83b ohne Unterbrechung strömen.
Die Blende 85 kann in dem Abschnitt zwischen den Vorsprungabschnitten 84b des Kollektors 84 an der Brennstoffelektrodenseite vorgesehen werden. In diesem Fall wird, da die Turbolenz in dem Wasserstoffgas auftritt, das durch die Brennstoffkammer strömt, die Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Wasserstoffgas und dem Kollektor 84 an der Brennstoffelektrodenseite und der Einheitszelle 11 verbessert, wodurch sich die Kühlfähigkeit des Wasserstoffgases verbessert.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau beschrieben.
13 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
In 13 wird ein Brennstoffzellenstack 101, der als Brennstoffzelle (FC) dient, als Leistungsquelle für Fahrzeuge einschließlich Personenkraftwagen, Bussen, Lastkraftwagen, Passagierwagen, Gepäckwagen und dergleichen. Derartige Fahrzeuge sind mit einer großen Anzahl von Energie verbrauchenden Einrichtungen einschließlich einer Lichteinheit, eines Radius, eines Fensterhebers und dergleichen versehen, die auch dann verwendet werden, wenn die Fahrzeuge geparkt sind. Die Leistungsquelle soll im Wesentlichen einen breiten Bereich von Abgaben bereitstellen, um verschiedenartige Betriebsmuster zu bewältigen. Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstack 101, der als Leistungsquelle dient, mit einer Sekundärbatterie verwendet, die als elektrische Speichervorrichtung (nicht gezeigt) dient.
Vorzugsweise ist der Brennstoffzellenstack 101 als Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC) ausgebildet, obwohl er eine Alkalilösungsbrennstoffzelle (AFC) eine Phosphorsäurenbrennstoffzelle (PAFC) eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle (MCFC), eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DM FC) oder ähnliches sein kann.
Insbesondere wird bei der Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC oder PEM) das Wasserstoffgas als Brennstoff verwendet und wird Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet. Die Brennstoffzelle der PEM-Bauart weist einen Stapel auf, der durch Fügen einer Vielzahl von Brennstoffzellen in Reihe ausgebildet wird, die jeweils Katalysatoren, Elektroden und Separatoren haben, die an beiden Seiten der Feststoffpolymerelektrolytmembran vorgesehen sind, was ein Eindringen der Ionen, wie z.B. der Protonen und dergleichen gestattet.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel ist hauptsächlich aus dem Brennstoffzellenstack 101, einer Brennstoffzellenbasis einschließlich eines Luftzufuhrsystems 102 (durch eine durchgezogene Linie in 13 angedeutet), das mit einem Luftgebläse 121 als Luftzufuhrelement zum Zuführen von Luft versehen ist, die als Oxidationsmittel und Kühlmittel dient, und einem Luftausstoßsystem 103, das mit einem Wasserkondensator 131 versehen ist, einem Brennstoffzufuhrsystem 104 (durch eine Strichpunktlinie in 13 angedeutet) einschließlich eines Wasserstofftanks 141 als Wasserstoffzufuhrelement zum Zuführen von Wasserstoffgas als Brennstoff und einem Wasserzufuhrsystem 106 (durch eine gestrichelte Linie in 13 angedeutet) zum Zuführen von Wasser zum Befeuchten und Kühlen des Reaktionsabschnitts ausgebildet.
Das Luftgebläse 121 ist mit einem Luftkrümmer 122 über einen Luftzufuhrdurchgang 120 verbunden. Der Luftkrümmer 122 ist mit einer Einfassung (nicht gezeigt) verbunden, die den Brennstoffzellenstack 101 einfasst. Der Wasserkondensator 131 bei dem Luftausstoßsystem 103 ist innerhalb eines Luftausstoßdurchgangs 130 der Einfassung vorgesehen, so dass er mit dem Brennstoffzellenstack 101 verbunden ist. Der Luftausstoßdurchgang 130 ist darin mit einem Auslasstemperatursensor 132 versehen.
Das Brennstoffzufuhrsystem 104 ist zum Zuführen des Wasserstoffgases, das in dem Wasserstofftank 141 gespeichert ist, zu einem Wasserstoffdurchgang des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Wasserstoffzufuhrdurchgang 140 vorgesehen. Der Wasserstoffzufuhrdurchgang 140 ist mit einem Wasserstoffdrucksensor 142, einem Druckeinstellventil 143A, einem Zufuhrelektromagnetventil 144A, einem Druckeinstellventil 143B, einem Zufuhrelektromagnetventil 144B und einem Wasserstoffdrucksensor 145 darin in der Reihenfolge von dem Wasserstofftank 141 zu dem Brennstoffzellenstack 101 versehen. Der Wasserstoffzufuhrdurchgang 140 ist ferner mit einem Wasserstoffrückführpfad 140a und einem Wasserstoffausstoßpfad 150 versehen. Der Wasserstoffrückführpfad 140a ist mit Wasserstoffkonzentrationssensoren 146A, 146B, einer Ansaugpumpe 147 und einem Rückschlagventil 148 in der Reihenfolge von dem Brennstoffzellenstack 101 versehen. Der Wasserstoffzufuhrdurchgang 140 ist mit einem stromabwärtigen Abschnitt des Rückschlagventils 148 versehen. Ein Abschnitt zwischen der Ansaugpumpe 147 und dem Rückschlagventil 148 in dem Wasserstoffrückführpfad 140a ist mit dem Wasserstoffausstoßpfad 150 verbunden, der mit einem Rückschlagventil 151, einem Wasserstoffausstoßventil 152 und einer Brennkammer 153 versehen.
Das Wasserzufuhrsystem 106 ist zum Zuführen von Wasser, das in einem Wassertank 161 gespeichert ist, zu einer Düse 163, die mit dem Luftkrümmer 122 in der Einfassung des Brennstoffzellenstacks 101 angebracht ist, über einen Wasserzufuhrdurchgang 160 vorgesehen, der mit einer Wasserpumpe 162 versehen ist. Der Wassertank 161 ist mit einem Wasserstandssensor 164 versehen. Das Wasserzufuhrsystem 106 ist ferner mit einem Wasserrückführpfad 160a versehen, der die Einfassung des Brennstoffzellenstacks 101 mit dem Wassertank 161 verbindet, der mit einer Pumpe 165 und einem Rückschlagventil 166 versehen ist. Der Wasserrückführpfad 160a ist mit dem Wasserkondensator 131 an dem stromaufwärtigen Abschnitt der Pumpe 165 versehen.
Voltmeter 171, die in 13 gezeigt sind, dienen zum Überwachen des elektrischen Drucks der Brennstoffzelle.
Luft, die in die Sauerstoffkammer des Brennstoffzellenstacks 101 zugeführt wird, kann auf dem Druck, der dem der Atmosphäre gleich ist, oder unter einem Druck gehalten werden, der höher als der Atmosphärendruck ist. In dem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Atmosphärendruck aufrechterhalten wird. Anders gesagt wird das Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel bei normalem Druck eher als in dem druckbeaufschlagten Zustand betrieben.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel ist mit derselben Steuereinheit wie diejenige versehen, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist. Die Steuereinheit 81 ist ein Computer, der eine Berechnungseinheit, wie z.B. eine CPU und eine MPU, eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle und dergleichen zum Steuern von Betrieben des Brennstoffzellensystems aufweist. Die Steuereinheit 81 ist mit einem Speicher 82 als Datenspeichereinheit, beispielsweise einer elektromagnetischen Platte und einem Halbleiterspeicher verbunden. Die Steuereinheit 81 ist mit dem Voltmeter, dem Wasserstandssensor, dem Wasserstoffdrucksensor, dem Wasserstoffkonzentrationssensor und dem Auslasstemperatursensor verbunden. Verschiedenartige Abgaben dieser Vorrichtungen werden zu der Steuereinheit 81 eingegeben. Ferner ist die Steuereinheit 81 mit den Druckregulierventilen, dem Wasserstoffausstoßventil, der Wasserpumpe, dem Luftgebläse und einer Alarmeinrichtung 86 verbunden, die einen Alarm bei einer Fehlfunktion und einem Unfall bei dem Brennstoffzellensystem abgibt. Betriebe dieser Vorrichtungen werden durch die Steuereinheit 81 gesteuert.
Der Aufbau des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstacks 101 wird erklärt.
14 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Zellenmoduls der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 15 ist eine erste Ansicht, die einen Aufbau eines Separators bei der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 16 ist eine zweite Ansicht, die einen Aufbau des Separators bei der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 17 ist eine erste vergrößerte Schnittansicht, die ein Zellenmodul der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 18 ist eine zweite vergrößerte Schnittansicht, die ein Zellenmodul der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 19 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Aufbau einer Einheitszelle bei der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist der Brennstoffzellenstack 101 eine Vielzahl von Zellenmodulen 110 auf. Unter Bezugnahme auf 14 ist das Zellenmodul 110 aus einer Vielzahl von Sätzen von Elementen ausgebildet, die in die Dickenrichtung gestapelt sind (10 Sätze in 14). Jeder Satz der Elemente weist eine Einheitszelle (MEA) 110A als Brennstoffzelle, einen Separator 110B, der die Einheitszellen 110A elektrisch verbindet und einen Durchgang des Wasserstoffgases, das in die Einheitszelle 110A eingeführt wird, von dem Durchgang der Luft trennt, und zwei Arten von Rahmen 110 und 118 auf, die die Einheitszelle 110A bzw. den Separator 110B stützen. Die Einheitszelle 110A ist in 14 nicht deutlich gezeigt, da sie innerhalb des Rahmens 118 positioniert ist. Bei dem Zellenmodul 110 sind die Einheitszellen 110A und die Separatoren 110B gestapelt, die die vorstehend erwähnten zwei Arten der Rahmen 117 und 118 haben, die dazwischen abwechselnd zwischen gelegt sind, so dass die Einheitszellen 110A mit einem vorbestimmten Spalt angeordnet werden. Ein Ende des Zellenmoduls 110 in die Stapelrichtung (oberes Ende in 14) ist mit dem Vorsprungabschnitt abgeschlossen, der die Fläche in Längsrichtung des Separators 110B und die Endfläche des Rahmens 117 ausbildet, wie in 15 gezeigt ist. Das andere Ende des Zellenmoduls 110 (unteres Ende in 14) ist mit dem Vorsprungabschnitt abgeschlossen, der die Fläche in Querrichtung des Separators 110B und die Endfläche des Rahmens 118 ausbildet.
Unter Bezugnahme auf den vergrößerten Querschnitt des in den 17 und 18 gezeigten Aufbaus ist die Einheitszelle 110A aus einer Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 als Elektrolytschicht, einer Luftelektrode 112 (Kathodenelektrode) als Sauerstoffelektrode, die an einer Seite der Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 vorgesehen ist, und einer Brennstoffelektrode 113 (Anodenelektrode) ausgebildet, die an der anderen Seite der Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 vorgesehen ist. 17 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 15. 18 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 15. Jede von der Luftelektrode 112 und der Brennstoffelektrode 113 weist eine aus leitfähigem Werkstoff ausgebildete Elektrodendiffusionsschicht, die ein Eindringen und eine Diffusion des Reaktionsgases gestattet, und eine katalytische Schicht auf, die an der Elektrodendiffusionsschicht ausgebildet ist, die die katalytische Substanz enthält, die durch die Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 in Kontakt damit gestützt ist. Jede von der Luftelektrode 112 und der Brennstoffelektrode 113 hat eine Querabmessung, die geringfügig größer als die Breite der Öffnung des Rahmens 118 als Stützelement ist, und die Längsabmessung ist geringfügig kürzer als die Höhe der Öffnungsrahmen 118. Die Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 hat Längs- und Querabmessungen, die etwas größer als diejenigen der Öffnung des Rahmens 118 sind.
Der Separator 110B ist ein Element, das die Gasströmung zwischen den Einheitszellen 110A trennt, das aus einer Separatorbasis 116 als Hauptkörper des Separators, einem Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite, der an einer Seite der Separatorbasis 114 als maschenförmiger Kollektor vorgesehen ist, der eine Vielzahl von Öffnungen hat, die ein Eindringen des Luft-/Wassergemisches in Kontakt mit der Elektrodendiffusionsschicht an der Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A gestattet, und einem Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite ausgebildet ist, der an der anderen Seite der Separatorbasis 116 als maschenförmiger Kollektor mit einer Vielzahl von Öffnungen vorgesehen ist, die gestatten, dass der elektrische Strom in Kontakt mit der Elektrodendiffusionsschicht an der Brennstoffelektrode 113 der Einheitszelle 110A außen eingeführt wird. Rahmen 117 an den linken und rechten Seiten des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite (nur der äußerste Abschnitt ist mit den Gegenplatten 117a und 117b an den oberen und unteren Enden verbunden, um eine Rahmenform auszubilden, wie in 15 gezeigt ist) und Rahmen 118, die den Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite und die Einheitszelle 110A umgeben, sind zum aufrecht erhalten der vorstehend erwähnten Elemente einschließlich der Einheitszelle 110A in einer geeigneten Anordnung vorgesehen. Jeder der Kollektoren 114 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite ist aus einem leitfähigen Plattenwerkstoff ausgebildet, beispielsweise einer dünnen Metallplatte mit einer Dicke von ungefähr 0,2 mm. Die Separatorbasis 116 ist ein plattenförmiges Element, das aus einer dünnen Platte mit einer Dicke ausgebildet ist, die geringer als diejenige der Kollektoren ist. Der vorstehend erwähnte Werkstoff kann durch Unterziehen des Metalls, das eine Leitfähigkeits- und Antikorrosionseigenschaft aufweist, wie z.B. Edelstahl, eine Nickellegierung und eine Titanlegierung, einer Antikorrosionsleitfähigkeitsbehandlung, wie z.B. Goldplattieren ausgebildet werden. Die Rahmen 117 und 118 sind aus geeigneten Isolationswerkstoffen ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf 15 ist der Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite mit einer im Wesentlichen rechteckigen Gestalt mit einer großen Länge in Querrichtung aus einem porösen Körper ausgebildet. In diesem Fall ist nur der untere Abschnitt bzw. der Bodenabschnitt zum Zweck der Verbesserung der Ablaufwirkung geneigt. Wie ein teilweise vergrößerter Abschnitt in 19 zeigt, ist der poröse Körper aus einem Metallplattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen 243 mit dem Durchlassöffnungsverhältnis von 59% ausgebildet, wie z.B. aus einem ausgedehnten Metall und einem Stanzmetall. In 19 ist der Maschenabschnitt teilweise zur einfachen Bezugnahme mit Bezug auf den Plattenflächenaufbau gezeigt. Die vorstehend beschriebene Metallplatte ist als eine gewellte Platte ausgebildet, die mit dünnen Vorsprungabschnitten 241 versehen ist, die durch einen Pressbearbeitungsprozess ausgebildet werden. Die Vorsprungabschnitte 241 sind an gleichen Intervallen parallel zu der kürzeren Seite des Plattenwerkstoffs in Längsrichtung der Platte, wie in 19 gezeigt ist, über die vollständige Plattenfläche ausgebildet. Der Querschnitt des Vorsprungabschnitts 241 ist mit einer gewellten rechteckigen Gestalt ausgebildet, die einen Basisabschnitt mit einer geringfügig größeren Breite als Ergebnis des Herausstanzens im Verlauf der Pressbearbeitung hat. Die Höhe des Vorsprungabschnitts 241 ist im Wesentlichen die Gleiche wie die Dicke des Rahmens 117, so dass ein Luftdurchgang mit einer vorbestimmten Öffnungsfläche so ausgebildet ist, dass er durch den Abschnitt zwischen den Rahmen 117 in Längsrichtung im gestapelten Zustand hindurch sticht. Die ebene Fläche des Spitzenabschnitts 241 des Vorsprungabschnitts 241 stößt gegen die Elektrodendiffusionsschicht an der Luftelektrode 112 an. Der Basisabschnitt 244 zwischen den Vorsprungabschnitten 241 stößt gegen die Separatorbasis 116 an.
Der Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite wird einer hydrophilen Behandlung durch Aufbringen eines hydrophilen Mittels auf die Fläche des Kollektors unterzogen. Polyacrylamid, Polyurethanharz, Titanoxid (TiO₂) kann als hydrophiles Mittel zur Anwendung eingesetzt werden. Der Prozess zum Aufrauen der Metallfläche kann als hydrophiler Prozess, beispielsweise eine Plasmabehandlung eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die hydrophile Behandlung für den Abschnitt mit der höchsten Feuchte angewendet. Beispielsweise wird die hydrophile Behandlung für den Spitzenabschnitt 242 des Vorsprungabschnitts 241 in Kontakt mit der Einheitszelle 110A, insbesondere den Abschnitt an der Luftdurchgangsseite angewendet. Die hydrophile Behandlung vereinfacht die Befeuchtung der Anstoßfläche zwischen dem Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite und der Elektrodendiffusionsschicht an der Luftelektrodenseite, um die Wirkung zu verbessern, die sich aus dem Kühlen der latenten Wärme mit Wasser ergibt. Das kann eine Stagnation von Wasser in dem Maschenabschnitt, nämlich in den Öffnungen 243 verhindern, um die Möglichkeit weitergehend zu verringern, dass Wasser die Luftströmung unterbricht.
Der Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite ist aus einem rechteckigen Plattenwerkstoff mit maschenförmigen Öffnungen 253 ausgebildet, die jeweils die gleiche Abmessung wie diejenigen haben, die in dem Kollektor 114 an der Luftbrennstoffelektrodenseite ausgebildet sind, beispielsweise aus einem ausgedehnten Metall, einem Stanzmetall oder ähnlichem. In diesem Fall ist nur ein Teil des Maschenabschnitts zum Zweck der einfachen Bezugnahme hinsichtlich der Plattenform gezeigt. Eine Vielzahl Vorsprungabschnitte 251 wird aus einer Extraktionsformung durch den Pressbearbeitungsprozess erhalten. Der Vorsprungabschnitt 251 hat einen ebenen Spitzenabschnitt 252 und eine im Wesentlichen gewellten rechteckigen Querschnitt, der demjenigen des Vorsprungabschnitts 241 ähnlich ist. Die Vorsprungabschnitte 251 des Kollektors 115 an der Brennstoffelektrodenseite erstrecken sich über die Plattenfläche in Querrichtung bei konstanten Teilungen in Längsrichtung. Die ebene Fläche des Spitzenabschnitts 252 des Vorsprungabschnitts 251 dient als Abschnitt, der gegen die Brennstoffelektrode 113 stößt. Der Basisabschnitt 254 zwischen den Vorsprungabschnitten 251, 251 dient als Abschnitt, der gegen die Separatorbasis 116 stößt. Der Querschnitt von jedem der Vorspungabschnitte 251 hat im Wesentlichen eine gewellte rechteckige Gestalt, wobei dessen Basisabschnitt geringfügig verbreitert ist, was sich aus dem Herausstanzen im Verlauf der Pressbearbeitung ergibt. Die Höhe des Vorsprungabschnitts 251 ist im Wesentlichen die Gleiche wie jede der Dicke des Rahmens 118 und der Dicke der Einheitszelle 110A. Der Brennstoffgasdurchgang mit einer vorbestimmten Öffnungsfläche wird ausgebildet, der sich quer durch das Innere des Rahmens 118 in dem gestapelten Zustand erstreckt.
Die Kollektoren 114 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite sind angeordnet, um dazwischen die Separatorbasis 116 dazwischen zu setzen, so dass die jeweiligen Vorsprungabschnitte 241 und 251 nach außen angeordnet sind. Die Basisabschnitte 244 und 254, die an den Kollektoren 114 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite ausgebildet sind, stoßen gegen die Separatorbasis 116 an, so dass sie in einen Zustand gebracht werden, der das Aufbringen eines elektrischen Stroms zwischen diesen Abschnitten gestattet. Die Kollektoren 114 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite sind gestapelt, wobei sie die Separatorbasis 116 dazwischen gesetzt aufweisen, um einen Luftdurchgang auszubilden, durch den das Oxidationsmittel strömt, nämlich die Sauerstoffkammer an der einen Seite der Separatorbasis 116, und ein Brennstoffgasdurchgang, nämlich die Brennstoffkammer an der anderen Seite. Die Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A nimmt die Zufuhr der Luft und des Wassers von dem Luftdurchgang entlang der Längsrichtung auf und die Brennstoffelektrode 113 der Einheitszelle 110A nimmt die Zufuhr des Wasserstoffgases von dem Brennstoffdurchgang entlang der Querrichtung auf.
Der Separator 110B ist mit dem Rahmen 117 und 118 an der Außenseite jeweils versehen. Unter Bezugnahme auf die 17 und 18 ist der Rahmen 117, der den Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite einfasst, mit einem Längsrahmenabschnitt 271 versehen, der die beiden Seiten entlang der kürzeren Seite des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite außer dem größeren Endabschnitt umgibt (der oberste Abschnitt, der in 17 gezeigt ist, und das linke Ende, das in 18 gezeigt ist). Der Rahmen 117 hat ein Langloch 271, das durch den Längsrahmenabschnitt 271 in Dickenrichtung stößt, um den Brennstoffgasdurchgang auszubilden. Die Dicke des Rahmens 117 ist im Wesentlichen die gleiche wie diejenige des gewellten Plattenförmigen Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite. In dem Zustand, dass der Rahmen 117 mit dem Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite kombiniert wird, steht der Vorsprungabschnitt 241 des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite in Kontakt mit der Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A, und steht der Basisabschnitt 244 in Kontakt mit dem Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite über die Separatorbasis 116. Die äußere Abmessung der Separatorbasis 116 hat eine Länge und eine gesamte Breite, die denjenigen des Rahmens 117 entspricht. Ein Langloch 262 ist in der Separatorbasis 16 an einer Position entsprechend dem Langloch 272 ausgebildet, das in dem Rahmen 117 ausgebildet ist. Der Luftdurchgang, der durch die Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A und die Separatorbasis 116 umgeben ist, wird an einem Abschnitt zwischen den Längsrahmenabschnitten 271 des Rahmens 117 in Längsrichtung definiert.
Der Rahmen 118, der den Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite und die Einheitszelle 110A einschließt, hat einen Aufbau mit der gleichen Abmessung wie derjenigen des Aufbaus des Rahmens 117. Anders als bei dem Rahmen 117 hat jedoch der Rahmen 118 eine vollständig balkenförmige Gestalt einschließlich rechter und linker Längsrahmenabschnitte und oberer und unterer Querrahmenabschnitte 282. Jeder der linken und rechten Längsrahmenabschnitte des Rahmens 118 mit beiden Enden an den gleichen Positionen wie diejenigen der linken und rechten Enden der Längsrahmenabschnitte des Rahmens 117 hat im Wesentlichen die gleiche quergerichtete Breite wie diejenige der oberen und unteren Querrahmenabschnitte. Sie sind in 17 nicht gezeigt, da sie weiter nach rechts über den Zeichnungsrand positioniert sind. Der Rahmen 118 erstreckt sich parallel zu den linken und rechten Längsrahmenabschnitten außer dem äußeren Ende (der unterste Abschnitt, der in 14 gezeigt ist, die in 16 gezeigte Fläche), und ist mit einer dünnen plattenförmigen Gegenplatte 118a und einer dicken plattenförmigen Gegenplatte 118b versehen, die an den linken und rechten Endabschnitten des Kollektors 115 an der Brennstoffelektrodenseite gestapelt sind. Der Raum, der durch die Gegenplatte 118a und den längsgerichteten Balkenabschnitt definiert ist, dient dazu, den Brennstoffgasdurchgang auszubilden, der mit dem Langloch 272 ausgerichtet ist, das durch den Rahmen 117 in die Dickenrichtung stößt. Die Dicke des Rahmens 118 ist im Wesentlichen gleich der jeweiligen Dicke des gewellten Plattenförmigen Kollektors 115 an der Brennstoffelektrodenseite und der Dicke der Einheitszelle 110A. In dem Zustand, dass der Rahmen 118 mit dem Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite kombiniert wird, steht der Vorsprungabschnitt 251 des Kollektors 115 an der Brennstoffelektrodenseite in Kontakt mit der Brennstoffelektrode 113 der Einheitszelle 113A und steht der Basisabschnitt 254 in Kontakt mit dem Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite über die Separatorbasis 116. Der Brennstoffgasdurchgang, der mit dem Langloch 272 des Längsrahmenabschnitts 171 des Rahmens 117 ausgerichtet ist, ist in Rahmenstapelrichtung zwischen dem längsgerichteten Balkenabschnitt des Rahmens 118 und der Gegenplatte 118a ausgebildet. Der Brennstoffgasdurchgang als Querdurchgang, der zwischen die Separatorbasis 116 und die Gegenplatte 118a zwischen gesetzt ist, ist innerhalb der jeweiligen Rahmen 118 durch die Wellung des Kollektors 115 an der Brennstoffelektrodenseite definiert.
Der Separator 110B ist aus den so ausgebildeten Rahmen 117 und 118 ausgebildet, während er die Kollektoren 114 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite und die Separatorbasis 116 hält. Dann werden die Separatoren 110B und die Einheitszellen 110A abwechselnd zum Ausbilden des Zellenmoduls 110 gestapelt. Bei dem so gestapelten Zellenmodul 110 ist der schlitzförmige Luftdurchgang, der von der oberen Fläche zu der unteren Fläche des Zellenmoduls 110 in die vertikale Richtung stößt, an dem Abschnitt ausgebildet, der zwischen die Rahmen 118 zwischen gesetzt ist.
Die Einheitszelle 110A gestattet, dass Wasser durch diese hindurch strömt. Insbesondere wenn Wasserstoffgas als Brennstoffgas in die Brennstoffkammer des Kollektors 115 an der Brennstoffelektrodenseite zugeführt wird, wird Wasserstoff in Wasserionen (Protonen) und Elektronen zersetzt. Die Wasserstoffionen dringen dann in die Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 gemeinsam mit Wasser als Träger ein. Unter der Annahme, dass die Luftelektrode 112 als Kathodenelektrode dient, wenn Luft in die Sauerstoffkammer als Oxidationsmittel zugeführt wird, wird Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, mit den Wasserstoffionen und Elektronen zum Bilden von Wasser verbunden. Der Wassergehalt als Gegendiffusionswasser dringt weiter in die Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 ein, um in die Brennkammer zu strömen. Das Gegendiffusionswasser stellt Wasser dar, das innerhalb der Sauerstoffkammer erzeugt wird, das in der Feststoffpolymerelektrolytmembran 11 diffundiert, und dringt weitergehend durch diese hindurch in die umgekehrte Richtung der Wasserstoffionen, um die Brennstoffkammer zu erreichen.
Der Aufbau des Kollektors 14 an der Luftelektrodenseite wird genau beschrieben. 12 stellt den Kollektor an der Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. 12A ist eine perspektivische Ansicht des Kollektors an der Luftelektrodenseite und 12D ist eine perspektivische Ansicht eines Plattenwerkstoffs, das maschenförmige Öffnungen hat, der den Kollektor an der Luftelektrodenseite bildet.
In dem Ausführungsbeispiel ist der Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite aufgebaut, um das Durchlassöffnungsverhältnis örtlich zu verändern. Genauer gesagt sind die Durchlassöffnungsverhältnisse an den jeweiligen Bereichen des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite in Schwerkraftrichtung abgestuft, wie durch einen Pfeil C in 12A gezeigt ist. Das Durchlassöffnungsverhältnis wird nämlich vergrößert, wenn der Bereich stromabwärts der Schwerkraftrichtung, nämlich in die Richtung nach unten fortschreitet. In dem in 12A gezeigten Beispiel ist der Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite in drei Bereiche aufgeteilt, die jeweils unterschiedliche Durchlassöffnungsverhältnisse haben. Der oberste Bereich hat das niedrigste Durchlassöffnungsverhältnis, der mittlere Bereich hat das mittlere Durchlassöffnungsverhältnis und der unterste Bereich hat das höchste Durchlassöffnungsverhältnis. Der Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite, der in 12A gezeigt ist, kann durch Pressbearbeiten des Plattenwerkstoffs 114A, wie in 12B gezeigt ist, ausgebildet werden, wobei drei Bereiche jeweils ein unterschiedliches Durchlassöffnungsverhältnis haben. Das Durchlassöffnungsverhältnis kann in zwei Stufen oder in vier oder mehreren Stufen verändert werden. Alternativ kann es kontinuierlich verändert werden. Der Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite kann den Aufbau haben, bei dem das Durchlassöffnungsverhältnis wie in dem Fall des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite verändert wird.
Da jeder der Kollektoren 114 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite jeweils maschenförmige Öffnungen 243 und 253 hat, wird jeweils die Strömung des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer nicht durch diese Kollektoren 114 und 115 unterbrochen. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer stehen nämlich ausreichend in Kontakt mit der Brennstoffelektrode 113 und der Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A über die Öffnungen 243 und 253 der Spitzenabschnitte 242 und 252 jeweils in Kontakt mit der Einheitszelle 110A. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer können durch die Öffnungen 243 und 253 der Vorsprungabschnitte 241 bzw. 251 strömen, um die Strömung des Wasserstoffgases durch die Brennstoffkammer und die Strömung der Luft durch die Sauerstoffkammer gleichmäßig zu machen.
Insbesondere in dem Fall, dass ein Wassertropfen, der in der Sauerstoffkammer auf Grund des erzeugten Wassers oder des in die Luft zugeführten Wassers gebildet wird, den Durchgang des angrenzenden Basisabschnitts 244 blockiert, kann Luft in den angrenzenden Durchgang durch die Öffnungen 243 der Seitenwand des Vorsprungabschnitts 241 strömen. Die Strömung der Luft wird somit nicht unterbrochen. Das Durchlassöffnungsverhältnis des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite verändert sich in Stufen in die Schwerkraftrichtung. Insbesondere wird dann, wenn das Durchlassöffnungsverhältnis vergrößert wird, wenn der entsprechende Bereich nach unten fortschreitet, die Diffusion des Wassers vereinfacht, was somit eine Stagnation des Wassers innerhalb des Durchgangs verhindert. Luft kann somit ohne Unterbrechung durch Wasser strömen. Das macht es möglich, zuverlässig die Stagnation des Wassers innerhalb des Durchgangs des Oxidationsmittels zu verhindern. In dem Fall, dass der Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite das Durchlassöffnungsverhältnis hat, das sich wie bei dem Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite verändert, kann die gleiche Wirkung wie diejenige bei dem Kollektor 114 erhalten werden, wenn der Wassertropfen in der Brennstoffkammer auf Grund des Gegendiffusionswassers erzeugt wird.
Der Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß dem vorstehend angegebenen Aufbau wird beschrieben.
Der Betrieb des Ausführungsbeispiels, der demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich ist, wird unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben.
Der Prozess für den Startbetrieb wird beschrieben. In Schritt S1 wird ein Startschalter (nicht gezeigt) durch einen Betreiber zum Starten des Brennstoffzellensystems auf EIN geschaltet. Dann wird in Schritt S2 eine Wasserpumpe 162 auf EIN geschaltet und wird Wasser durch eine Düse 163 eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Betrieb der Wasserpumpe 162 eingestellt, um eine vorbestimmte Menge Wasser einzuspritzen. Anderenfalls kann eine unnormale Verbrennung durch die Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Feststoffpolymermembran 111 in einem trockenen Zustand verursacht werden, da Luft innerhalb der Einheitszelle 11 zum Zeitpunkt des Starts des Brennstoffzellensystems ungeachtet der Tatsache vorhanden ist, ob das Luftzufuhrsystem auf EIN geschaltet ist oder nicht. Demgemäß muss die Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A vorher in einem feuchten Zustand vorliegen, in dem Wasser vor der Zufuhr des Wasserstoffgases zugeführt wird, um die Einheitszelle 110A mit unnormaler Wärme nicht zu beschädigen, die durch die unnormale Verbrennung verursacht wird. Das macht es möglich, die unnormal übermäßige Wärme in Verdampfungswärme umzuwandeln und die Befeuchtung der Feststoffpolymerelektrolytmembran 111 zum Verhindern des an der Einheitszelle 110A verursachten Schadens zu vereinfachen.
Dann wird in Schritt S3 die Vorrichtung zum Zuführen der Luft als Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstack 101, nämlich das Luftzufuhrsystem 102 auf EIN geschaltet. In diesem Fall wird die Steuerung zum Maximieren der Menge der zugeführten Luft durch das Luftzufuhrgebläse 121 ausgeführt, so dass keine unnormale Reaktion in der Einheitszelle 110A des Brennstoffzellenstacks 101 auftritt. Dann wird in Schritt S4 die Vorrichtung zum Zuführen des Wasserstoffgases als Brennstoffgas zu dem Brennstoffzellenstack 101, nämlich das Wasserstoffzufuhrsystem auf EIN geschaltet. Somit der Startbetrieb. Der Brennstoffzellensystembetrieb geht in die normale Phase über, so dass die durch den Brennstoffzellenstack 101 erzeugte Elektrizität zu den Lasten oder der Sekundärbatterie zugeführt wird.
Nachdem die Startroutine beendet ist, wird die Steuerung der Wasserstoffgaszufuhrmenge, der Luftzufuhrmenge und der Wasserzufuhrmenge gleichzeitig ausgeführt. Während der Steuerung der Wasserstoffgaszufuhrmenge werden die Druckregulierventile 143A und 143B so eingestellt, dass das Wasserstoffgas zu der Brennstoffelektrode 113 bei einer vorbestimmten Konzentration zugeführt wird, die gleich der Explosionsgrenze ist oder darunter liegt. Das Wasserstoffausstoßventil 152, das während des Starts geschlossen ist, wird auf der Grundlage der vorbestimmten Regel geöffnet, um das Brennstoffgas bei dem verringerten Wasserstoffpartialdruck zum Erneuern des atmosphärischen Gases der Brennstoffelektrode 113 auszustoßen. Die vorstehend beschriebene vorbestimmte Regel ist in dem Speicher 82 gespeichert, auf die bei der Ausführung der Regulierung der Druckregulierventile 143A und 143B und dem Schaltbetrieb des Wasserstoffausstoßventils 152 durch die Steuereinheit 81 Bezug genommen wird. Das Wasserstoffausstoßventil 152 wird während des Betriebs geeignet geöffnet, um die Spannung zu stabilisieren. Das Wasserstoffausstoßventil 152 wird aus dem Grund geöffnet, dass dann, wenn das Brennstoffzellensystem betrieben wird, während das Wasserstoffausstoßventil 152 geschlossen gehalten wird, der Partialdruck des Wasserstoffs, der durch die Brennstoffelektrode 113 verbraucht wird, graduell unter dem Einfluss von N₂O₂ oder dem erzeugten Wasser verringert wird, das in die Luftelektrode 112 eindringt, und wobei die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstacks 101 demgemäß verringert wird.
Während der Luftzufuhrmengensteuerung wird zuerst in Schritt S11 die Temperatur der Luft unmittelbar nach dem Ausstoß aus dem Brennstoffzellenstack 101 durch den Auslasstemperatursensor 132 erfasst. Dann bestimmt in Schritt S12 die Steuereinheit 81, ob die erfasste Temperatur der ausgestoßenen Luft gleich wie oder geringer als 80°C ist. Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur der ausgestoßenen Luft nicht gleich wie oder geringer als 80°C ist, nämlich über 80°C liegt, schreitet der Prozess zu Schritt S13 weiter, bei dem ein Luftvolumen durch die Steuereinheit 81 erhöht wird, um das Verbrennen der Einheitszelle 10A zu verhindern. Genauer gesagt wird die Luftzufuhrmenge durch Erhöhen der Drehzahl des Luftgebläses 121 erhöht, um die Temperatur der Luftelektrode 112 zu verringern, die als Wärmequelle dient.
Wenn unterdessen bestimmt wird, dass die Temperatur der ausgestoßenen Luft gleich wie oder geringer als 80° ist, wird die Last des Brennstoffzellenstacks 101, nämlich die Last des Basiskörpers der Brennstoffzelle durch die Steuereinheit 81 in Schritt S14 erfasst. Dann wird in Schritt S15 bestimmt, ob die Luftzufuhrmenge, nämlich das Luftvolumen geeignet ist. In diesem Fall wird die Bestimmung durch Bezugnahme auf die Tabelle der Beziehung zwischen der Last des Brennstoffzellenstacks 101 und des in den jeweiligen Zuständen erforderlichen Luftvolumens vorgenommen, die in dem Speicher 82 gespeichert ist. Wenn bestimmt wird, dass das Luftvolumen ungeeignet ist, stellt die Steuereinheit 81 das Luftvolumen in Schritt S16 ein. Genauer gesagt wird die Drehzahl des Luftgebläses 121 zum Steuern des Luftvolumens eingestellt. Wenn bestimmt wird, dass das Luftvolumen geeignet ist, endet der Prozess.
Während der Wasserstoffgaszufuhrmengensteuerung wird der Wasserstoffgasdruck an dem Brennstofftank 141 durch die Wasserstoffdrucksensoren 142 und 145 erfasst. Die Steuereinheit 81 reguliert die Druckregulierventile 143A und 143B, so dass der Druck des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenstack 101 zugeführt wird, ein vorbestimmter Wert wird. Die Steuereinheit 81 steuert einen Schaltbetrieb der Brennstoffzufuhrelektromagnetventile 144A und 144B, um die Wasserstoffgaszufuhr zu den Brennstoffzellenstack 101 zu steuern. Die Brennstoffzufuhrelektromagnetventile 144A und 144B können zum Abschalten der Zufuhr des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstack 101 geschlossen werden.
In dem Ausführungsbeispiel ist der Kollektor 114 an der Luftelektrodenseite so aufgebaut, dass er ein Durchlassöffnungsverhältnis hat, das örtlich verändert wird, nämlich in die Schwerkraftrichtung abgestuft ist. In diesem Fall wird das Durchlassöffnungsverhältnis des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite vergrößert, wenn der Bereich nach unten fortschreitet. Das kann die Wasserdiffusion zur Verhinderung einer Stagnation von Wasser innerhalb des Durchgangs vereinfachen, um dadurch die Luftströmung davor zu bewahren, durch das Wasser unterbrochen zu werden. Das macht es möglich, die Einheitszelle 101A auch in der hochfeuchten Umgebung wirksam zu kühlen, um die Kühlfähigkeit sowie die Energieerzeugungseffizienz des Brennstoffzellenstacks 101 ebenso wie die Stabilität des Betriebs zu verbessern.
Insbesondere in dem Fall, dass ein Wassertropfen, der in der Sauerstoffkammer erzeugt wird, der durch erzeugte Wasser oder in die Luft zugeführtes Wasser verursacht wird, und wobei ein derartiger Wassertropfen wahrscheinlich den Durchgang des angrenzenden Basisabschnitts 244 blockiert, kann die Wasserdiffusion zum Verhindern der Stagnation des Wassers innerhalb des Durchgangs vereinfacht werden. Die Luftströmung wird somit nicht durch das Wasser unterbrochen.
Wie in dem Fall des Kollektors 114 an der Luftelektrodenseite ist der Kollektor 115 an der Brennstoffelektrodenseite so aufgebaut, dass er das Durchlassöffnungsverhältnis hat, das örtlich verändert wird, so dass es in die Schwerkraftrichtung abgestuft ist. In diesem Fall kann die Wasserstagnation innerhalb des Durchgangs des Wasserstoffgases verhindert werden. Die Strömung des Wasserstoffgases wird somit vor der Unterbrechung durch Wasser bewahrt.
Die maschenförmigen Öffnungen, die in den Kollektoren 116 und 115 an der Luftelektrodenseite und der Brennstoffelektrodenseite ausgebildet sind, verhindern, dass die Luftströmung durch diese Kollektoren 114 und 115 unterbrochen wird. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer stehen nämlich ausreichend in Kontakt mit den Elektrodendiffusionsschichten der Brennstoffelektrode 113 und der Luftelektrode 112 der Einheitszelle 110A über die Öffnungen 243 und 253 der Spitzenabschnitte 242 und 252 in Kontakt mit der Einheitszelle 110A. Das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffkammer und die Luft innerhalb der Sauerstoffkammer können durch die Öffnungen 243 und 253 der Vorsprungabschnitte 241 bzw. 251 strömen, um die Strömung des Wasserstoffgases innerhalb der Brennstoffkammer und die Strömung der Luft innerhalb der Sauerstoffkammer gleichmäßig zu machen.
Es ist anzumerken, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dass sie in verschiedenartigen Formen ohne Abweichen von den Grundgedanken der Erfindung abgewandelt werden kann.
Somit ist die Separatoreinheit, die in eine Brennstoffzelle eingesetzt ist, die eine Elektrolytschicht hat, die zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischen gesetzt ist, mit einem plattenförmigen Separator, der zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Oxidationsmittelgas trennt, und einem maschenförmigen Kollektor versehen, der eine Öffnung hat, die einen von einem Durchgang, durch den das Brennstoffgas strömt, und von einem Durchgang, durch den das Oxidationsmittelgas strömt, ausbildet. Der Kollektor ist an zumindest einer Seite der Separatorbasis in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode vorgesehen. Die Separatorbasis hat einen darin ausgebildeten Kühlmitteldurchgang, durch den ein Kühlmittel strömen kann, und ein Elektrodenanstoßabschnitt des Kollektors, der gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode anstößt, hat ein Durchlassöffnungsverhältnis, das größer als das der anderen Abschnitte des Kollektors ist.

Claims

Separatoreinheit, die in eine Brennstoffzelle eingesetzt wird, die eine zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengesetzte Elektrolytschicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass eine plattenförmige Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und ein Kollektor, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenförmigen Öffnung und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode vorgesehen ist, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme abzuführen, vorgesehen sind; und wobei der Kollektor eine Turbolenzerzeugungseinheit aufweist, die eine Turbolenz in dem Gas erzeugt, um die Gelegenheit für einen Kontakt zwischen dem Gas und einer der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode zu vergrößern und um eine Effizienz der Abfuhr der in der Brennstoffzelle erzeugten Wärme zu verbessern.
Separatoreinheit, die in eine Brennstoffzelle eingesetzt wird, die eine zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengesetzte Elektrolytschicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass eine plattenförmige Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und ein Kollektor, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenförmigen Öffnung und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode vorgesehen ist, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme abzuführen, vorgesehen sind; und wobei der Kollektor ein Durchlassöffnungsverhältnis hat, das sich in eine Schwerkraftrichtung verändert.
Separatoreinheit gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Durchlassöffnungsverhältnis vergrößert, wenn eine Fläche des Kollektors nach unten in die Schwerkraftrichtung voranschreitet.
Separatoreinheit gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor mit Vorsprungsabschnitten und Basisabschnitten versehen ist, die sich in Schwerkraftrichtung erstrecken, die abwechselnd ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstack, das durch Stapeln von Brennstoffzellen ausgebildet wird, die jeweils zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengesetzte Elektrolytschicht haben, wobei eine Separatoreinheit darin eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatoreinheit eine plattenförmige Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und einen Kollektor aufweist, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenförmigen Öffnung und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode zum Abführen von in den Brennstoffzellen erzeugter Wärme versehen ist; und wobei der Kollektor ein Durchlassöffnungsverhältnis hat, das sich in eine Richtung verändert, in die die Brennstoffzellen gestapelt sind.
Brennstoffzellenstack gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor einen Elektrodenanstoßabschnitt, der gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode anstößt, einen Separatoranstoßabschnitt, der gegen die Separatorbasis anstößt, und einen Rippenabschnitt zwischen dem Elektrodenanstoßabschnitt und dem Separatoranstoßabschnitt aufweist, wobei jedes Durchlassöffnungsverhältnis davon einen Relationsausdruck (1) erfüllt: Durchlassöffnungsverhältnis des Elektrodenanstoßabschnitts > Durchlassöffnungsverhältnis des Rippenabschnitts Durchlassöffnungsverhältnis des Separatoranstoßabschnitts.
Brennstoffzellenstack, der durch Stapeln von Zellen ausgebildet wird, die jeweils eine zwischen eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode zwischengesetzte Elektrolytschicht haben, wobei eine Separatoreinheit darin eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatoreinheit eine plattenförmige Separatorbasis, die zu der Brennstoffelektrode zugeführtes Gas von zu der Sauerstoffelektrode zugeführtem Gas trennt, und einen Kollektor aufweist, der an zumindest einer Seite der Separatorbasis vorgesehen ist, der mit einer maschenförmigen Öffnung und in Anstoß gegen eine der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode zum Abführen von in den Brennstoffzellen erzeugter Wärme vorgesehen ist; und wobei der Kollektor ein Durchlassöffnungsverhältnis hat, das sich in eine Richtung verändert, die orthogonal zu einer Richtung ist, in die die Brennstoffzellen gestapelt sind.
Brennstoffzellenstack gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlassöffnungsverhältnis sich vergrößert, wenn eine Fläche des Kollektors nach unten in die Schwerkraftrichtung voranschreitet.