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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der eine Brennstoffzelle bildet.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellenstapel hat ein Zellenlaminat, das aus einer Mehrzahl gestapelter Zellen besteht. Jede der Zellen des Zellenlaminats erzeugt Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoffgas und Sauerstoff, der in Luft enthalten ist, wenn das Wasserstoffgas und die Luft von einem Ende des Zellenlaminats zugeführt werden (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
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DRUCKSCHRIFTENLISTE
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Patentliteratur
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- Patentdokument 1: JP 2009-158349 A
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Eine entfernt von einem Sauerstoffgaseinlass, durch den sauerstoffgashaltige Luft in das Zellenlaminat eingebracht wird, angeordnete Zelle erhält aufgrund eines Druckverlusts weniger Sauerstoffgas als eine Zelle, die an den Sauerstoffgaseinlass angrenzt. Die Zellen an beiden Enden des Zellenlaminats strahlen ferner Wärme leichter ab als die Zellen in einem Mittelteil des Zellenlaminats und kühlen daher leichter ab, wodurch Wasser, das während der Strom- bzw. Leistungserzeugung erzeugt wird, dazu neigt, in den Zellen zu bleiben. Aus diesem Grund blockiert insbesondere in einer Zelle an der vom Sauerstoffgaseinlass entfernten Seite, bei der das Volumen des Sauerstoffgases aufgrund des Druckverlusts abnimmt, das während der Leistungserzeugung erzeugte Wasser die Strömung des Sauerstoffgases in einem Strömungspfad. Dies kann zu einem Mangel an Sauerstoffgas führen, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz abnimmt.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Hintergrund gemacht und es ist Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, der eine Temperaturdifferenz in einem Zellenlaminat verringern kann, um dadurch eine höher Leistungserzeugungseffizienz zu erzielen.
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Diesbezüglich ist ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellenstapel, aufweisend: ein Zellenlaminat, das aus einer Mehrzahl gestapelter Zellen besteht,
wobei Sauerstoffgas von einem Gaseinbringungsendteil an einer Seite des Zellenlaminats eingebracht wird, und
das Zellenlaminat an zumindest einem Endteil an einer von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite relativ höhere Wärmeisolierungseigenschaften hat, als an einem näher daran gelegenen Endteil.
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Gemäß dem wie vorstehend ausgebildeten Brennstoffzellenstapel sind die Wärmeisolierungseigenschaften an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite relativ höher eingestellt, als die Wärmeisolierungseigenschaften an dem näher daran gelegenen Endteil. Dies ermöglicht es, eine relative Abnahme der Temperatur der Zelle an dem Endteil an der entfernten Seite zu vermeiden, wodurch vermieden wird, dass das Wasservolumen, das durch das Gas erzeugt und weggetragen wird, kleiner wird als das der anderen Zellen. Es ist somit möglich, das Volumen des erzeugten Wassers, das in der Zelle an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite des Zellenlaminats verbleibt, zu steuern.
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Mit dieser Anordnung kann eine Blockierung der Sauerstoffgasströmung, die durch das erzeugte Wasser verursacht wird, unterdrückt werden, so dass ein Mangel an Sauerstoffgas in der Zelle an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite verhindert werden kann. Daher können Schwankungen bei der Zufuhr von Sauerstoffgas in dem Zellenlaminat verhindert werden, wodurch eine höhere Leistungserzeugungseffizienz ermöglicht wird.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung kann das Zellenlaminat eine nicht-leistungserzeugende Endzelle aufweisen, die Wärmeisolierungseigenschaften hat, die höher sind als jene anderer Zellen, und die zumindest an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite angeordnet ist.
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Gemäß dem wie vorstehend beschrieben ausgebildeten Brennstoffzellenstapel verhindert das Anordnen der Endzelle an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite in dem Zellenlaminat die Abstrahlung von Wärme an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite, was zu höheren Wärmeisolierungseigenschaften führt. Dies senkt das Volumen des erzeugten Wassers, das in der Zelle an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite des Zellenlaminats verbleibt, wodurch eine Blockierung der Strömung des Sauerstoffgases durch das erzeugte Wasser verhindert werden kann, so dass es möglich wird, den Mangel an Sauerstoffgas in der Zelle an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite zu verhindern.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung kann das Zellenlaminat an beiden Enden derartige Endzellen aufweisen, und eine größere Zahl von Endzellen kann an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite angeordnet sein, als die Zahl von Endzellen, die an dem Gaseinbringungsendteil angeordnet ist.
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Gemäß dem wie vorstehend beschrieben ausgebildeten Brennstoffzellenstapel verhindern die Endzellen am Gaseinbringungsendteil und an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite im Zellenlaminat die Abstrahlung von Wärme am Gaseinbringungsendteil und an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite, was zu höheren Wärmeisolierungseigenschaften führt. Dies macht es möglich, das Volumen des erzeugten Wasser zu verringern, das in der Zelle an dem Gaseinbringungsendteil und an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite des Zellenlaminats verbleibt, wodurch eine Blockierung der Strömung des Sauerstoffgases durch das erzeugte Wasser verhindert wird und daher ein Mangel an Sauerstoffgas verhindert wird.
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Darüber hinaus sind die Wärmeisolierungseigenschaften an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite, an dem mehr Endzellen angeordnet sind, höher, als die an dem Gaseinbringungsendteil. Dies macht es möglich, das Volumen des erzeugten Wasser insbesondere in der Zelle an dem Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite des Zellenlaminats zu verringern, wodurch die Blockierung der Strömung des Sauerstoffgases durch das erzeugte Wasser verhindert wird und daher ein Mangel an Sauerstoffgas verhindert wird. Die vorstehend beschriebenen Vorteile werden durch Endzellen erzielt, die gebräuchliche Teile sind, so dass im Vergleich zu einem Fall, bei dem eine Heizvorrichtung, eine Kühlkomponente oder dergleichen verwendet wird, um die gleichen Vorteile zu erzielen, eine Zunahme der Kosten oder der Größe verhindert werden kann.
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Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine höhere Leistungserzeugungseffizienz, indem eine Temperaturdifferenz in einem Zellenlaminat unterdrückt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
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2 zeigt eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels, der die Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform bildet;
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3 zeigt eine Schnittansicht einer Zelle, die ein Zellenlaminat des Brennstoffzellenstapels bildet;
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4A und 4B zeigen Graphen, die den Feuchtigkeitsgehalt und die Zellentemperatur ein einem Zellenlaminat ohne Endzellen darstellen;
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5 zeigt einen Graph, der die Zellentemperatur in dem Zellenlaminat darstellt; und
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6 zeigt einen Graph, der die Beziehung zwischen der Zahl an Endzellen und der Temperaturdifferenz eines Kathodenendteils von einem Mittelteil darstellt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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1 ist eine Seitenansicht einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 2 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels, der die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform bildet. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Zelle, die ein Zellenlaminat des Brennstoffzellenstapels bildet.
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Wie in 1 dargestellt ist, hat ein Brennstoffzellenstapel 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Endplatten 12 an seinen beiden Enden. Die Endplatten 12 sind miteinander verbunden, indem sie mittels einer (nicht dargestellten) Befestigungsstange befestigt sind. Der Brennstoffzellenstapel 11 wird mit einer vorgegebenen Last von beiden Enden mittels einer Befestigungskraft der Endplatten 12 mit Druck beaufschlagt. Der Brennstoffzellenstapel 11 bildet eine Brennstoffzelle, die in einem mobilen Körper, beispielsweise einem Fahrzeug, installiert werden kann.
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Wie in 2 gezeigt ist, hat der Brennstoffzellenstapel 11 ein Zellenlaminat 21, Stromsammelplatten 22 sowie eine Rostschutzplatte 23. Das Zellenlaminat 21 wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen 20 gebildet, und Endzellen 24 sind an seinen beiden Enden angeordnet. Ein Ende des Zellenlaminats 21 dient als Gaseintragungsendteil und das andere Ende dient als Gasrückführungsendteil.
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Wie in 3 gezeigt ist, hat jede der Zellen 20 eine Membranelektrodenanordnung (nachfolgend als „MEA” bezeichnet) 5, die Elektroden 4 an beiden Seiten einer Elektrolytschicht 1 enthält, wobei die Elektroden 4 jeweils aus einer Katalysatorschicht 2 und einer Diffusionsschicht 3 gebildet sind. Separatoren 6 sind an beiden Seitenflächen der MEA 5 angeordnet. Die Separatoren 6 bestehen aus Edelstahlplatten. Jede der Zellen 20, die eine Moduleinheit zur Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel 11 ist, erzeugt Leistung anhand einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoffgas und in der Luft enthaltenem Sauerstoff.
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Jede der Stromsammelplatten 22 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Aluminium oder Edelstahl. Die Stromsammelplatten 22 sind mit Ausgabeklemmen (nicht dargestellt) ausgebildet, und durch den Brennstoffzellenstapel 11 erzeugte elektrische Leistung wird durch diese Ausgabeklemmen ausgegeben. Die an den Gaseinbringungsendteil des Zellenlaminats 21 angrenzende Stromsammelplatte 22 ist als Elektrode auf der Anodenseite definiert, während die an den Gasrückführungsendteil des Zellenlaminats 21 angrenzende Stromsammelplatte 22 als Elektrode auf der Kathodenseite definiert ist. In anderen Worten: Das Zellenlaminat 21 hat den Gaseinbringungsendteil, der als Anode-(An)-Endteil 21a dient sowie den Gasrückführungsendteil, der als Kathoden-(Ca)-Endteil 21b dient. Die Rostschutzplatte 23 ist zwischen dem Zellenlaminat 21 und der Stromsammelplatte 22 auf der Seite des Kathodenendteils 21b des Zellenlaminats 21 angeordnet.
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Sauerstoffgashaltige Luft wird dem Zellenlaminat 21 vom Anodenendteil 21a, das einen Gaseinbringungsendteil darstellt, zugeführt. Die vom Anodenenteil 21a zugeführte Luft kehrt am Kathodenendteil 21b, der den Gasrückführungsendteil darstellt, um, und wird vom Anodenenteil 21a ausgestoßen. Hierdurch strömt die Luft durch jede der Zellen 20. Wie die Luft wird Wasserstoffgas vom Anodenendteil 21a des Zellenlaminats 21 zugeführt, kehrt am Kathodenendteil 21b um und wird vom Anodenendteil 21a ausgestoßen. Im Zellenlaminat 21 erzeugt somit jede der Zellen 20 elektrische Leistung durch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff.
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Beide Enden des Zellenlaminats 21, also der Anodenendteil 21a und der Kathodenendteil 21b, sind mit Endzellen 24 ausgestaltet. Der Anodenendteil 21a hat eine der Endzellen 24, während der Kathodenendteil 21b zwei Endzellen 24 aufweist. Die Endzellen 24 haben den gleichen Aufbau, der ähnlich zum Aufbau der Zellen 20 ist. Beispielsweise hat die Endzelle 24 keine Elektrolytschicht jedoch den Aufbau, bei dem die Katalysatorschicht und die Diffusionsschickt miteinander verbunden sind, und beide Flächen der Anordnung mit Separatoren, ähnlich zu den Separatoren 6 der Zellen 20, ausgestaltet sind.
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Jede der Endzellen 24 ist eine nicht-leistungserzeugende Zelle, die wie vorstehend beschrieben ausgestaltet ist.
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Das Ausbilden des Anodenendteils 21a und des Kathodenendteils 21b des Zellenlaminats 21 mit den Endzellen 24 verursacht, dass Wasserstoffgas, Luft und Kühlwasser, die dem Zellenlaminat 21 zugeführt werden, durch Strömungspfade in den Endzellen 24 fließen. Zu diesem Zeitpunkt tragen, selbst wenn die Luft und das Wasserstoffgas zugeführt werden, das Sauerstoffgas in der Luft und das Wasserstoffgas nicht zur Leistungserzeugung bei und überbrücken die Endzellen 24 ohne verbraucht zu werden. Die Wärmekapazität des Kühlwassers ist hoch und das Kühlwasser, das durch die Endzellen 24 fließt, verursacht, dass die Wärmekapazität der gesamten Endzellen 24 relativ hoch wird, sodass die Wärmeisolierungseigenschaften derselben relativ höher werden, als jene der Zellen 20. Dies unterbindet oder verhindert die Abstrahlung von Wärme von den Zellen 20, die an die Endzellen 24 angrenzen, nach außen.
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Wie in den 4A und 4B dargestellt ist, ist in einem Brennstoffzellenstapel, der ausgestaltet ist, um Gas vom Anodenendteil 21a des Zellenlaminats 21 zu verteilen, der Kathodenendteil 21b des Zellenlaminats 21 durch die Wärmeabstrahlung beeinflusst, und die Zellentemperatur neigt dazu, niedriger zu werden als die am Mittelteil oder dem Anodenendteil 21a während der Stromerzeugung und Abgabe, was zu einem Auftreten einer Temperaturdifferenz ΔT vom Mittelteil führt. Als Ergebnis nimmt, insbesondere wenn die Last zum Zeitpunkt des Leerlaufs oder dergleichen in einer Niedertemperaturumgebung niedrig ist, das Volumen des Wassers, das durch die Leistungserzeugung erzeugt wird, das in der Luft einhalten ist, im Strömungspfad am Kathodenendteil 21b zu, wodurch häufig die Luftströmung blockiert wird. Zudem wird aufgrund des Druckverlusts des Kathodenendteils 21b die Durchflussmenge der Luft im Vergleich zum Anodenenteil 21a verringert. Dies kann zu einem Fehler bei der Luftverteilung am Kathodenendteil 21b im Zellenlaminat 21 führen.
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Als Gegenmaßnahme umfasst der Brennstoffzellenstapel 11 der vorliegenden Ausführungsform daher die beiden Endzellen 24, die angrenzend an den Kathodenendteil 21b an der vom Anodenendteil 21a entfernten Seite, der dem Gaseinbringungsendteil entspricht, angeordnet sind. Hierdurch wird es möglich, die Wärmeisolationseigenschaften des Kathodenendteils 21b des Zellenlaminats 21 zu verbessern. Die Temperaturdifferenz ΔT des Kathodenendteils 21b vom Mittelteil des Zellenlaminats 21 kann somit minimiert werden, wodurch es möglich wird, das Volumen des erzeugten Wassers am Kathodenendteil 21b des Zellenlaminats 21 zu verringern, um die Blockierung der Luftströmung durch das erzeugte Wasser zu verhindern, wodurch der Mangel an Sauerstoffgas am Kathodenendteil 21b verhindert wird.
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Ferner findet keine Verringerung der Durchflussmenge der Luft aufgrund des Druckverlusts am Anodenendteil 21a, der das Gaseinbringungsendteil des Zellenlaminats 21 darstellt, statt. Gleichwohl neigt der Anodenendteil 21a wie der Kathodenendteil 21b dazu, Wärme abzustrahlen, sodass dessen Zellentemperatur dazu neigt, niedriger zu werden als die des Mittelteils. Daher ist bei der vorliegenden Ausführungsform die einzelne Endzelle 24 angrenzend an den Anodenendteil 21a angeordnet, um die Wärmeisolierungseigenschaften des Anodenendteils 21a des Zellenlaminats 21 zu verbessern, wodurch es möglich ist, die Temperaturdifferenz ΔT des Anodenendteils 21a vom Mittelteil im Zellenlaminat 21 zu minimieren. Mit dieser Anordnung kann das Volumen des erzeugten Wassers am Anodenendteil 21a des Zellenlaminats 21 verringert werden, sodass eine Blockierung der Luftströmung durch das erzeugte Wasser unterdrückt werden kann, wodurch der Mangel an Sauerstoffgas am Anodenendteil 21a verhindert werden kann.
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Wie in 5 gezeigt ist, macht es das Anordnen der einzelnen Endzelle 24 angrenzend an den Anodenendteil 21a und der beiden Endzellen 24 angrenzend an den Kathodenendteil 21b wie in der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Abnahme der Zellentemperatur an beiden Enden (die durch die durchgezogenen Linie in 5 angedeutete Temperatur) im Vergleich zu einem Fall zu verhindern, bei dem die Endzellen 24 nicht angeordnet sind und die Zellentemperatur an beiden Enden abnimmt (die durch die gestrichelte Linie in 5 angedeutete Temperatur).
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Wie vorstehend beschrieben ist, macht es der Brennstoffstapel 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Unterdrückung der Temperaturdifferenz ΔT der Zellentemperatur im Zellenlaminat 21 zu maximieren, indem der Anodenendteil 21a und der Kathodenendteil 21b des Zellenlaminats 21 mit den Endzellen 24 versehen werden, ohne spezielle Wärmeisolierelemente oder dergleichen zu verwenden. Diese Anordnung ermöglicht eine einfach Zufuhr des Sauerstoffgases zum gesamten Zellenlaminat 21, um eine effiziente Leistungserzeugung zu erreichen. Darüber hinaus werden Endzellen 24, die gebräuchliche Teile darstellen, verwendet, wodurch es möglich ist, einen Anstieg der Kosten oder der Größe, die durch Verwendung einer Heizvorrichtung oder einer Kühlkomponente zum Unterdrücken der Temperaturdifferenz ΔT der Zellentemperatur hervorgerufen wird, zu vermeiden.
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Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kathodenendteil 21b und dem Mittelteil wurde unter Verwendung verschiedener Arten von Endzellen 24, die angrenzend an den Kathodenendteil 21b des Zellenlaminats 21 angeordnet wurden, gemessen. Die Messung der Temperaturdifferenz ΔT wurde bei einer Kühlwassertemperatur von 60°C, einem Stromwert von 15 A und einer Außentemperatur von –20°C ausgeführt.
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Wie in 6 dargestellt ist, welche die Messergebnisse zeigt, ist die Temperaturdifferenz ΔT in einem Fall, bei dem die einzelne Endzelle 24 vorgesehen ist, immer noch groß, wohingegen die Temperarturdifferenz ΔT durch das Vorsehen von zwei Endzellen 24 deutlich verringert werden kann. Theoretisch ist es ideal, die Temperaturdifferenz ΔT zu eliminieren, um den Luftverteilungsfehler zu vermeiden. Jedoch wurde festgestellt, dass die Installation der beiden Endzellen 24 ausreicht, um den Luftverteilungsfehler nahezu zu eliminieren. Das Hinzufügen von mehr Endzellen 24 (drei, fünf und sieben) ermöglicht zudem eine Verringerung der Temperaturdifferenz ΔT, führt jedoch zu einer ungewollten Zunahme der Größe des Zellenlaminats 21.
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Basierend auf den Messergebnissen wurde beschlossen, dass das Vorsehen von drei Endzellen 24 geeignet ist, um eine ausreichend verringerte Temperaturdifferenz ΔT zu erzielen, während verhindert wird, dass das Zellenlaminat 21 größer wird.
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Die Zahl der am Anodenendteil 21a und Kathodenendteil 21b des Zellenlaminats 21 vorzusehenden Endzellen 24 ist nicht auf die vorstehend Ausführungsform begrenzt und kann entsprechend einer benötigten Verringerung der Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Anodenendteil 21a und dem Kathodenendteil 21b und dem Mittelteil des Zellenlaminats 21 bestimmt werden. Beispielsweise wird die Zahl der Endzellen 24, die am Anodenendteil 21a und am Kathodenendteil 21b des Zellenlaminats 21 vorgesehen werden sollen, bei Bedarf entsprechend der Form oder dem Material des Zellenlaminats 21, der Position des Strömungspfads eines Gases oder Kühlwassers, der Umgebung, in der der Brennstoffzellenstapel 11 in einem Gehäuse aufgenommen ist, oder dergleichen verändert.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Brennstoffzellenstapel
- 20
- Zelle
- 21
- Zellenlaminat
- 21a
- Anodenendteil (Gaseinbringungsendteil)
- 21b
- Kathodenendteil (Endteil an der von dem Gaseinbringungsendteil entfernten Seite)
- 24
- Endzelle