DE102017218029A1

DE102017218029A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102017218029A1
Application number: DE102017218029.3A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kondo; Keiji Hashimoto
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2018-04-19
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: JP2018067460A; US20180108923A1; JP6627711B2; US10547069B2; DE102017218029B4

Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst Stromerzeugungszellen und eine Endzelle. Jede Stromerzeugungszelle enthält einen Gasdurchgang, durch den Stromerzeugungsgas hindurchgeht. Die Brennstoffzelle umfasst ein Einführrohr, welches das Stromerzeugungsgas verteilt und in die Gasdurchgänge einführt, und ein Ablaufrohr, das Strömung des Stromerzeugungsgases nach Durchgang durch die Gasdurchgänge vereint und die vereinte Strömung abführt. Die Endzelle enthält einen Bypassdurchgang, der das Einführrohr und das Ablaufrohr aneinander anschließt. Der Bypassdurchgang besteht aus parallelen Kanälen, von denen jeder unabhängig an das Einführrohr angeschlossen ist. Die parallelen Kanäle umfassen untere parallele Kanäle und obere parallele Kanäle. Der Druckverlust in jedem der unteren Kanäle ist kleiner als der Druckverlust in jedem der oberen parallelen Kanäle.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die aus Stapelzellen zusammengesetzt ist.
Stromerzeugungszellen einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle schließen jeweils eine Membranelektrodeneinheit (sogenannte MEA, membrane electrode assembly) und ein Paar Separatoren ein, welche die Membranelektrodeneinheit einklemmen. Die Membranelektrodeneinheit hat eine Elektolytmembran, die aus einer Ionenaustauschmembran und einem Paar Elektroden hergestellt ist, welche die Elektrolytmembran einklemmen. Dann wird Brennstoffgas (zum Beispiel Wasserstoffgas) an einen Gasdurchgang geliefert, der zwischen einem Paar Separatoren und der Membranelektrodeneinheit ausgebildet ist, und Oxidationsgas (zum Beispiel Luft) wird an einen Gasdurchgang geliefert, der zwischen dem anderen Separator und der Membranelektrodeneinheit ausgebildet ist.
Typisch ist eine Brennstoffzelle durch Stapeln einer Vielzahl von Stromerzeugungszellen konfiguriert. Die Brennstoffzelle enthält ein Einführrohr, das ein Stromerzeugungsgas an die Gasdurchgänge der Stromerzeugungszellen verteilt und in sie einführt, und ein Ablaufrohr, das die Strömung des Stromerzeugungsgases nach Durchgang durch die Gasdurchgänge vereint und die vereinte Strömung entlädt.
Die japanische offenbarte Patentveröffentlichung Nr. 2009-164051 offenbart eine solche Brennstoffzelle, die Endzellen aufweist, welche an den Enden in der Stapelrichtung einer Vielzahl von Stromerzeugungszellen vorgesehen sind. Die Endzelle setzt sich zum Beispiel aus einer Platte und einem Paar Separatoren zusammen, welche die Platte einklemmen. Ein Bypassdurchgang ist zwischen der Platte und jedem Separator ausgebildet. Der Bypassdurchgang verbindet das Einführrohr und das Ablaufrohr, damit das Stromerzeugungsgas dort hindurchfließen kann.
Die Endzellen sind konfiguriert, keinen Strom zu erzeugen und üben einen Wärmeisoliereffekt an den Enden in der Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen aus. Solche Endzellen begrenzen den Temperaturabfall der Stromerzeugungszellen, die an den Enden in der Stapelrichtung angeordnet sind, und unterdrücken dadurch die Erzeugung von Wasser infolge von Kondensation oder dergleichen im Inneren der Stromerzeugungszellen.
Die Erzeugung von Wasser infolge von Kondensation oder dergleichen kann nicht nur im Inneren der Stromerzeugungszellen auftreten, sondern auch im Gaszufuhrdurchgang, der das Stromerzeugungsgas von der Außenseite zur Innenseite der Brennstoffzelle liefert. Solches Wasser in dem Gaszufuhrdurchgang kann durch Gasströmung weggetragen werden, um in die Stromerzeugungszellen einzudringen und dort zu bleiben. Damit wird die Menge des an die Membranelektrodeneinheit gelieferten Gases reduziert, und dadurch kann die Stromerzeugungseffizienz gemindert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die das Einfließen von Wasser in Stromerzeugungszellen einschränken kann.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, und nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Vielzahl von gestapelten Stromerzeugungszellen, eine Endzelle, die mindestens an einem der entgegengesetzten Enden in einer Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen vorgesehen ist, Gasdurchgänge, die jeweils in den Stromerzeugungszellen ausgebildet sind und durch die Stromerzeugungsgas hindurchgeht, ein Einführrohr, das das Stromerzeugungsgas verteilt und in die Gasdurchgänge einführt, ein Ablaufrohr, das die Strömung des Stromerzeugungsgases nach Durchgang durch die Gasdurchgänge vereint und die vereinte Strömung abführt, und einen Bypassdurchgang, der in der Endzelle ausgebildet ist, um das Einführrohr und das Ablaufrohr aneinander anzuschließen, umfasst. Jede Stromerzeugungszelle schließt eine Membranelektrodeneinheit und ein Paar Separatoren ein, welche die Membranelektrodeneinheit einklemmen. Die Endzelle ist konfiguriert, keinen Strom zu erzeugen. Der Bypassdurchgang ist aus einer Vielzahl von parallelen Kanälen zusammengesetzt, von denen jeder unabhängig an das Einführrohr angeschlossen ist. Die parallelen Kanäle umfassen eine Vielzahl von unteren parallelen Kanälen und eine Vielzahl von oberen parallelen Kanälen. Ein Druckverlust in jedem der unteren parallelen Kanäle ist kleiner als der Druckverlust in jedem der oberen parallelen Kanäle.
Figurenliste

1 ist ein explodiertes Diagramm, das schematisch eine Brennstoffzelle nach einer Ausführungsform zeigt;
2 ist eine Draufsicht eines ersten Separators einer Stromerzeugungszelle;
3 ist eine Draufsicht einer Rahmenplatte der Stromerzeugungszelle;
4 ist eine Draufsicht eines zweiten Separators der Stromerzeugungszelle;
5 ist eine Draufsicht eines dritten Separators einer Endzelle;
6 ist eine Draufsicht einer Rahmenplatte der Endzelle;
7 ist eine vergrößerte Draufsicht eines Teils des dritten Separators;
8 ist eine Draufsicht des dritten Separators, die zeigt, wie Wasserstoffgas im Inneren der Endzelle fließt; und
9 ist eine Draufsicht des ersten Separators, die zeigt, wie Wasserstoffgas im Inneren der Stromerzeugungszelle fließt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Brennstoffzelle nach einer Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Zuerst wird die schematische Konfiguration der Brennstoffzelle beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, schließt die Brennstoffzelle gestapelte Stromerzeugungszellen 10 und ein Paar Endzellen 11 ein, die an Positionen vorgesehen sind, welche die Stromerzeugungszellen 10 in einer Stapelrichtung D (der seitlichen Richtung in 1) einklemmen. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform hat 330 Stromerzeugungszellen 10. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform wird als eine Stromquelle in einem elektrischen Fahrzeug eingebaut.
Die Brennstoffzelle enthält ein Wasserstoffgaseinführrohr 12 und ein Lufteinführrohr 13. Das Wasserstoffgaseinführrohr 12 verteilt Wasserstoffgas und führt es in jede Stromerzeugungszelle 10 und jede Endzelle 11 ein. Das Lufteinführrohr 13 verteilt Luft und führt sie in jede Stromerzeugungszelle 10 und jede Endzelle 11 ein. Die Brennstoffzelle enthält ebenfalls ein Wasserstoffgasablaufrohr 14 und ein Luftablaufrohr 15. Das Wasserstoffgasablaufrohr 14 vereinigt die Strömung des Wasserstoffgases, nachdem das Gas durch die Stromerzeugungszellen 10 und die Endzellen 11 gegangen ist, und führt die vereinte Strömung des Wasserstoffgases ab. Das Luftablaufrohr 15 vereint Strömung der Luft, nachdem die Luft durch die Stromerzeugungszellen 10 und die Endzelle 11 gegangen ist, und führt den vereinten Luftstrom ab. Ferner enthält die Brennstoffzelle ein Kühlmitteleinführrohr (nicht gezeigt), und ein Kühlmittelablaufrohr (nicht gezeigt). Das Kühlmitteleinführrohr (nicht gezeigt) leitet Kühlmittel zwischen benachbarten Stromerzeugungszellen 10 und zwischen jeder Endzelle 11 und der benachbarten Stromerzeugungszelle 10 ein. Das Kühlmittelablaufrohr (nicht gezeigt) vereint Strömung von Kühlmittel und führt den vereinten Kühlmittelstrom ab.
Ein Stapelverteilerrohr 16 ist an einem (der linken Seite, wie in 1 gesehen) des Paars der Endzellen 11 befestigt, um die Außenseitenendfläche in der Stapelrichtung D abzudecken. Ein Wasserstoffgasrohr 17 zum Zuführen/Ablassen von Wasserstoffgas, ein Luftrohr 18 zum Zuführen/Ablassen von Sauerstoffgas (spezifisch Luft) und ein Kühlmittelrohr 19 zum Zuführen/Ablassen von Kühlmittel sind am Stapelverteilerrohr 16 angeschlossen. In der Brennstoffzelle gestattet das Stapelverteilerrohr 16, dass dort hindurch Wasserstoffgas an das Wasserstoffgaseinführrohr Rohr 12 geliefert wird, Luft an das Lufteinführrohr 13 geliefert wird, Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffgasablaufrohr 14 abgeführt wird, Luft aus dem Luftablaufrohr 15 abgeführt wird, Kühlmittel an das Kühlmitteleinführrohr geliefert wird und abzuführendes Kühlmittel aus dem Kühlmittelablaufrohr abgeführt wird. Ein Befeuchter 20 ist am Wasserstoffgasrohr 17 vorgesehen. Der Befeuchter 20 ist stromab vom Stapelverteilerrohr 16 angeordnet, um Wasserstoffgas zu befeuchten. Bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechen das Stapelverteilerrohr 16 und das Wasserstoffgasrohr 17 einem Gaszufuhrdurchgang, der Wasserstoffgas von der Außenseite zur Innenseite des Wasserstoffgaseinführrohrs 12 führt.
Eine Endplatte 21 ist an der anderen Endzelle 11 (der rechten Seite, wie in 1 gesehen) von dem Paar Endzellen 11 befestigt, um die Außenseitenendfläche in der Stapelrichtung D abzudecken. Die Endplatte 21 schließt die Öffnungen der Fluiddurchgänge an der Endfläche der Endzelle 11 (Wasserstoffgaseinführrohr 12, Lufteinführrohr 13, Wasserstoffgasablaufrohr 14, Luftablaufrohr 15, Kühlmitteleinführrohr und Kühlmittelablaufrohr).
Die Struktur der Stromerzeugungszelle 10 wird nun beschrieben.
Die Stromerzeugungszelle 10 hat eine Membranelektrodeneinheit 10A. Die Membranelektrodeneinheit 10A hat eine Fünf-Schicht-Struktur, die eine Elektrodenmembran, die eine feste Polymermembran ist, ein Paar Elektroden, welche die feste Polymermembran einklemmen, und ein Paar Gasdiffusionsschichten umfasst, welche die Elektrolytmembran und die Elektroden einklemmen. Jede Gasdiffusionsschicht wird von einer Carbon-Folie gebildet. Jede Stromerzeugungszelle 10 ist aus einem ersten Separator 30, einem zweiten Separator 50 und einer flachen, plattenförmigen Rahmenplatte 10B zusammengesetzt, die zwischen dem ersten und zweiten Separator 30, 50 eingeklemmt ist. Der zentrale Teil der Rahmenplatte 10B wird von der Membranelektrodeneinheit 10A gebildet. Der Teil der Rahmenplatte 10B außer dem zentralen Teil besteht aus einem Isoliermaterial. Das heißt, der Teil der Rahmenplatte 10B außer dem von der Membranelektrodeneinheit 10A gebildeten Teil besteht aus einem Isoliermaterial.
Wie in 2 gezeigt, wird der erste Separator 30 durch Pressen einer dünnen Metallplatte hergestellt, um daran Vorsprünge und Vertiefungen vorzusehen. Die Vorsprünge und Vertiefungen haben die Funktion, einen Wasserstoffgasdurchgang 10C zu definieren, der Wasserstoffgas durch das Inneren der Stromerzeugungszelle 10 hindurchgehen lässt, und einen Kühlmitteldurchgang, durch den Kühlmittel zwischen benachbarten Stromerzeugungszellen 10 fließt. 2 zeigt die Oberfläche des ersten Separators 30, welcher der Rahmenplatte 10B gegenüberliegt (siehe 1).
Der erste Separator 30 hat Durchgangslöcher 31 bis 36. Das Durchgangsloch 31 ist an einer ersten Seite in der Längsrichtung (der lateralen Richtung in 2) des ersten Separators 30 vorgesehen. Genauer ist das Durchgangsloch 31 in einem oberen Teil der ersten Seite (dem oberen linken Teil in 2) angeordnet. Das Durchgangsloch 31 bildet Teil des Wasserstoffgaseinführrohrs 12. Das Durchgangsloch 32 ist in dem unteren Teil an der zweiten Seite in der Längsrichtung des ersten Separators 30 (dem unteren rechten Teil in 2) vorgesehen. Das Durchgangsloch 32 bildet Teil des Wasserstoffgasablaufrohrs 14. Das Durchgangsloch 33 ist in dem oberen Teil an der zweiten Seite in der Längsrichtung des ersten Separators 30 (dem oberen rechten Teil in 2) vorgesehen. Das Durchgangsloch 33 bildet Teil des Lufteinführrohrs 13. Das Durchgangsloch 34 ist in dem unteren Teil an der ersten Seite in der Längsrichtung des ersten Separators 30 (dem unteren linken Teil in 2) vorgesehen. Das Durchgangsloch 34 bildet Teil des Luftablaufrohrs 15. Das Durchgangsloch 35 ist an der ersten Seite in der Längsrichtung des ersten Separators 30 vorgesehen. Das Durchgangsloch 35 bildet Teil des Kühlmitteleinführrohrs 22, das Kühlmittel verteilt und in den Kühlmitteldurchgang einführt. Das Durchgangsloch 36 ist an der zweiten Seite in der Längsrichtung des ersten Separators 30 vorgesehen. Das Durchgangsloch 36 bildet Teil eines Kühlmittelablaufrohrs 23, das Strömung des Kühlmittels nach Durchgang durch die Kühlmitteldurchgänge vereint und die vereinte Strömung des Kühlmittels ablässt. Die inneren Peripherieränder der Durchgangslöcher 31, 32, 33, 34, 35, 36 bilden jeweils Vertiefungen 31A, 32A, 33A, 34A, 35A, 36A, die in einer Richtung weg von der ersten Rahmenplatte 10B eingedrückt sind.
Der erste Separator 30 hat eine Vertiefung 37 im zentralen Teil in der Längsrichtung. Der Bereich, in dem die Vertiefung 37 ausgebildet ist, schließt einen Teil ein, welcher der Membranelektrodeneinheit 10A anliegt (ein Teil, der durch die gebrochene Linie in 2 angezeigt wird). Im Inneren der Stromerzeugungszelle 10 stehen der erste Separator 30 und die Rahmenplatte 10B (siehe 1) in engem Kontakt zueinander. Zwischen dem ersten Separator 30 und der Rahmenplatte 10B bildet die Vertiefung 37 daher einen Raum, der Teil des Wasserstoffgasdurchgangs 10C bildet, durch den Wasserstoffgas hindurchgeht.
Eine Vielzahl von Durchgangsvorsprüngen 38 ist auf dem Boden der Vertiefung 37 ausgebildet. Die Durchgangsvorsprünge 38 sind in einer länglichen Form ausgebildet und erstrecken sich parallel. Die Durchgangsvorsprünge 38 teilen den Wasserstoffgasdurchgang 10C in mehrfache parallel Kanäle 40 auf, von denen jeder unabhängig das Wasserstoffgaseinführrohr 12 (das Durchgangsloch 31) und das Wasserstoffgasablaufrohr 14 (die Durchgangslöcher 32) miteinander verbindet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Wasserstoffgasdurchgang 10C in zehn parallele Kanäle 40 durch die Durchgangsvorsprünge 38 aufgeteilt. Genauer, die zehn parallelen Kanäle 40 umfassen zehn Einführbahnen 41, die individuell an das Wasserstoffgaseinführrohr 12 angeschlossen sind, eine Vielzahl von Verteilungsbahnen 42, die jede Einführbahn 41 in acht Bahnen verzweigen und achtzig Hauptbahnen 43, die individuell an die Verteilungsbahnen 42 angeschlossen sind und sich parallel erstrecken. Ferner umfassen die parallelen Kanäle 40 eine Vielzahl von Konvergenzbahnen 44, welche die Hauptbahnen 43 in zehn Bahnen konvergieren lassen, und Ablaufbahnen 45, die individuell die konvergierten Konvergenzbahnen 44 an das Wasserstoffgasablaufrohr 14 anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Formen der Verteilungsbahnen 42 und Konvergenzbahnen 44 so bestimmt, dass das Wasserstoffgas, das in einen der parallelen Kanäle 40 fließt, an acht der Hauptbahnen 43 verteilt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Verteilungsbahnen 42 und die Hauptbahnen 43 der verzweigenden Bahn.
Wie in 3 gezeigt, hat die Rahmenplatte 10B mehrfache Durchgangslöcher, von denen jedes Teil von einem der Fluidrohre (Wasserstoffgaseinführrohr 12, Lufteinführrohr 13, Wasserstoffgasablaufrohr 14, Luftablaufrohr 15, Kühlmitteleinführrohr 22 und Kühlmittelablaufrohr 23) bildet. Im Inneren der Stromerzeugungszelle 10 stehen die Rahmenplatte 10B und der erste Separator 30 (siehe 2) an der Peripherie von jedem Durchgangsloch in engem Kontakt zueinander. Zwischen den entgegengesetzten Flächen der Rahmenplatte 10B und dem ersten Separator 30 sind daher Wasserstoffgaseinführrohr 12, Lufteinführrohr 13, Wasserstoffgasablaufrohr 14, Luftablaufrohr 15, Kühlmitteleinlaufrohr 22 und Kühlmittelablaufrohr 23 nach außen abgedichtet.
Wie in 2 und 3 gezeigt, hat die Rahmenplatte 10B eine Vielzahl von länglichen Löchern 10E, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 31 (genauer der Vertiefung 31A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 erstrecken. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat Rahmenplatte 10B zehn längliche Löcher 10E. Die länglichen Löcher 10E sind Lücken, die sich zwischen dem ersten Separator 30 und dem zweiten Separator 50 befinden und das Wasserstoffgaseinführrohr 12 (genauer das Durchgangsloch 31) und das Innere der Vertiefung 37 miteinander verbinden. Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes längliche Loch 10E Teil des Wasserstoffgasdurchgangs 10C. Genau bildet jedes längliche Loch 10E Teil der entsprechenden Einführbahn 41, die in der Nähe des Wasserstoffgaseinführrohrs 12 ist.
Die Rahmenplatte 10B hat ebenfalls eine Vielzahl von länglichen Löchern 10F, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 32 (genau der Vertiefung 32A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 erstrecken. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die Rahmenplatte 10B zehn längliche Löcher 10F. Die länglichen Löcher 10F sind Lücken, die sich zwischen dem ersten Separator 30 und dem zweiten Separator 50 befinden und das Wasserstoffgasablaufrohr 14 (genauer das Durchgangsloch 32) und das Innere der Vertiefung 37 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes längliche Loch 10F Teil des Wasserstoffgasdurchgangs 10C. Genau ist jedes längliche Loch 10F Teil der entsprechenden Ablaufbahn 45, die in der Nähe des Wasserstoffgasablaufrohrs 14 ist.
Wie in 4 gezeigt, wird der zweite Separator 50 durch Pressen einer dünnen Metallplatte hergestellt, um Vorsprünge und Vertiefungen an ihr vorzusehen. Die Vorsprünge und Vertiefungen haben die Funktion, einen Kühlmitteldurchgang und einen Gasdurchgang (einen Luftdurchgang 10D) zu definieren, durch den die Luft im Inneren der Stromerzeugungszelle 10 hindurchgehen kann. Grundsätzlich ist die Form des zweiten Separators 50 ein Spiegelbild der Form des ersten Separators 30 (siehe 2). 4 zeigt die Oberfläche des zweiten Separators 50, die der Rahmenplatte 10B gegenüberliegt (siehe 1).
Der zweite Separator 50 hat Durchgangslöcher 51 bis 56. Das Durchgangsloch 51 ist in dem oberen Teil an der ersten Seite in der Längsrichtung des zweiten Separators 50 vorgesehen (dem oberen rechten Teil in 4). Das Durchgangsloch 51 ist Teil des Wasserstoffgaseinführrohrs 12. Das Durchgangsloch 52 ist in dem unteren Teil an der zweiten Seite in der Längsrichtung des zweiten Separators 50 vorgesehen (dem unteren linken Teil in 4). Das Durchgangsloch 52 ist Teil des Wasserstoffgasablaufrohrs 14. Das Durchgangsloch 53 ist in dem oberen Teil an der zweiten Seite in der Längsrichtung des zweiten Separators 50 vorgesehen (dem oberen linken Teil in 2). Das Durchgangsloch 53 ist Teil des Lufteinführrohrs 13. Das Durchgangsloch 54 ist in dem unteren Teil an der ersten Seite in der Längsrichtung des zweiten Separators 50 vorgesehen (dem unteren rechten Teil in 4). Das Durchgangsloch 54 ist Teil des Luftablaufrohrs 15. Das Durchgangsloch 55 ist an der ersten Seite in der Längsrichtung des zweiten Separators 50 vorgesehen. Das Durchgangsloch 55 ist Teil des Kühlmitteleinführrohrs 22. Das Durchgangsloch 56 ist an der zweiten Seite in der Längsrichtung des zweiten Separators 50 vorgesehen. Das Durchgangsloch 56 ist Teil des Kühlmittelablaufrohrs 23. Die Inneren Peripherieränder der Durchgangslöcher 51, 52, 53, 54, 55, 56 bilden jeweils Vertiefungen 51A, 52A, 53A, 54A, 55A, 56A, die in einer Richtung weg von der Rahmenplatte 10B eingedrückt sind.
Der zweite Separator 50 hat eine Vertiefung 57 im zentralen Teil in der Längsrichtung. Der Bereich, in dem die Vertiefung 57 ausgebildet ist, umfasst einen Teil neben der Membranelektrodeneinheit 10A (einen Teil, der durch die gebrochene Linie in 4 angezeigt wird). Im Inneren der Stromerzeugungszelle 10 stehen der zweite Separator 50 und die Rahmenplatte 10B (siehe 1) in engem Kontakt zueinander. Zwischen dem zweiten Separator 50 und der Rahmenplatte 10B definiert daher die Vertiefung 57 einen Raum, der Teil des Luftdurchgangs 10D bildet, durch den Luft geht.
Eine Vielzahl von Durchgangsvorsprüngen 58 ist auf dem Boden der Vertiefung 57 ausgebildet. Die Durchgangsvorsprünge 58 sind in einer länglichen Form ausgebildet und erstrecken sich parallel. Die Durchgangsvorsprünge 58 teilen den Luftdurchgang 10D in mehrere parallele Kanäle 60 auf, von denen jeder unabhängig das Lufteinführrohr 13 (das Durchgangsloch 53) und das Luftablaufrohr 15 (die Durchgangslöcher 54) miteinander verbindet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Luftdurchgang 10D durch die Durchgangsvorsprünge 58 in zehn parallele Kanäle 60 aufgeteilt. Genau umfassen die zehn parallelen Kanäle 60 zehn Einführbahnen 61, die individuell an das Lufteinführrohr 13 angeschlossen sind, eine Vielzahl von Verteilungsbahnen 62, die jede Einführbahn 61 in acht Wege verzweigen, und achtzig Hauptbahnen 63, die individuell an die Verteilungsbahnen 62 angeschlossen sind und sich parallel erstrecken. Ferner umfassen die parallelen Kanäle 60 eine Vielzahl von Konvergenzbahnen 64, die die Hauptbahnen 63 in zehn Bahnen konvergieren lassen, und Ablaufbahnen 65, die individuell die konvergierten Konvergenzbahnen 64 an das Luftablaufrohr 15 anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Verteilungsbahnen 62 und Konvergenzbahnen 64 so festgelegt, dass das Wasserstoffgas, das in einen der parallelen Kanäle 60 fließt, an acht der Hauptbahnen 63 verteilt wird. Infolgedessen wird der Druckverlust in den parallelen Kanälen 60 im Wesentlichen ausgeglichen. Die Hauptbahnen 43 (siehe 2) des ersten Separators 30 sind als gerade Bahnen ausgebildet. Bei dem ersten Separator 30 erstrecken sich die geraden Hauptbahnen 43 parallel in gleichen Intervallen. Dagegen werden die Hauptbahnen 63 des zweiten Separators 50 von welligen Bahnen gebildet. Bei dem zweiten Separator 50 erstrecken sich die welligen Hauptbahnen 63 parallel in gleichen Intervallen.
Im Inneren der Stromerzeugungszelle 10 stehen die Rahmenplatte 10B und der zweite Separator 50 (siehe 4) an der Peripherie der Durchgangslöcher der Rahmenplatte 10B ( 3) in engem Kontakt zueinander. Zwischen den entgegengesetzten Flächen der Rahmenplatte 10B und des zweiten Separators 50 sind daher das Wasserstoffgaseinführrohr 12, das Lufteinführrohr 13, das Wasserstoffgasablaufrohr 14, das Luftablaufrohr 15, das Kühlmitteleinführrohr 22 und das Kühlmittelablaufrohr 23 nach außen abgedichtet.
Wie in 3 und 4 gezeigt, hat die Rahmenplatte 10B eine Vielzahl von länglichen Löchern 10G, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 53(genau der Vertiefung 53A) zu Positionen neben der Vertiefung 57 erstrecken. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die Rahmenplatte 10B zehn längliche Löcher 10G. Die länglichen Löcher 10G sind Lücken, die zwischen dem ersten Separator 30 und dem zweiten Separator 50 vorgesehen sind und das Lufteinführrohr 13 (genauer das Durchgangsloch 53) und das Innere der Vertiefung 57 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes längliche Loch 10G Teil des Luftdurchlasses 10D. Genau ist jedes längliche Loch 10G Teil der entsprechenden Einführbahn 61, die sich in der Nähe des Lufteinführrohrs 13 befindet.
Außerdem hat die Rahmenplatte 10B eine Vielzahl von länglichen Löchern 10H, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 54 (genau der Vertiefung 54A) zu Positionen neben der Vertiefung 57 erstrecken. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die Rahmenplatte 10B zehn längliche Löcher 10H. Die länglichen Löcher 10H sind Lücken, die sich zwischen dem ersten Separator 30 und dem zweiten Separator 50 befinden und das Luftablaufohr 15 (genauer das Durchgangsloch 54) und das Inneren der Vertiefung 57 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedes längliche Loch 10H Teil des Luftdurchgangs 10D. Genau ist jedes längliche Loch 10H Teil der entsprechenden Ablaufbahn 65, die in der Nähe des Luftablaufrohrs 15 ist.
Im Inneren der Brennstoffzelle wird der Kühlmitteldurchgang zwischen der Außenfläche des ersten Separators 30 von einer des benachbarten Paars Stromerzeugungszellen 10 und der Außenfläche des zweiten Separators 50 der anderen Stromerzeugungszelle 10 definiert. Zwischen einer Zelle des Endzellenpaars 11 (die linke Seite in 1) und der benachbarten Stromerzeugungszelle 10 definieren außerdem die Außenfläche eines vierten Separators 90 der Endzelle 11 und die Außenfläche des ersten Separators 30 der Stromerzeugungszelle 10 einen Kühlmitteldurchgang. Außerdem definieren zwischen der anderen Zelle des Endzellenpaars 11 (die rechte Seite in 1) und der benachbarten Stromerzeugungszelle 10 die Außenfläche eines dritten Separators 70 der Endzelle 11 und die Außenfläche des zweiten Separators 50 der Stromerzeugungszelle 10 einen Kühlmitteldurchgang. Diese Kühlmitteldurchgänge sind an das Kühlmitteleinführrohr 22 und das Kühlmittelablaufrohr 23 angeschlossen.
Die Struktur der Endzelle 11 wird nun besprochen.
Wie in 1 gezeigt, setzt sich die Endzelle 11 aus einem dritten Separator 70, einem vierten Separator 90 und einer Rahmenplatte 11A zusammen, die zwischen dem dritten und vierten Separator 70, 90 eingeklemmt ist. Der vierte Separator 90 hat dieselbe Struktur wie der zweite Separator 50 (siehe 4).
Wie in 5 gezeigt, ist die Grundstruktur des dritten Separators 70 dieselbe wie die des ersten Separators 30 (siehe 2). Der erste Separator 30 und der dritte Separator 70 sind jedoch in den Formen der Verteilungsbahnen und Konvergenzbahnen, die Teil der Wasserstoffgasdurchgänge bilden, signifikant voneinander verschieden. Die Struktur des dritten Separators 70 wird nun mit dem Schwerpunkt auf dem Unterschied beschrieben. Da die Komponenten außer den Verteilungsbahnen und den Konvergenzbahnen für den ersten Separator 30 und den dritten Separator 70 dieselben sind, werden diese Komponenten mit denselben Bezugsnummern bezeichnet, und eine ausführliche Beschreibung von ihnen wird weggelassen. 5 zeigt die Oberfläche des dritten Separators 70, die der Rahmenplatte 11A gegenüberliegt (siehe 1).
Eine Vielzahl von Durchgangsvorsprüngen 38 ist am Boden der Vertiefung 37 des dritten Separators 70 ausgebildet. Die Durchgangsvorsprünge 38 teilen in vielfache parallele Kanäle 80 den Wasserstoffgasdurchgang auf, der das Durchgangsloch 31 (das Wasserstoffgaseinführrohr 12) und das Durchgangsloch 32 (das Wasserstoffgasablaufrohr 14) miteinander verbindet. Hiernach werden der Wasserstoffgasdurchgang, der das Durchgangsloch 31 (das Wasserstoffgaseinführrohr 12) und das Durchgangsloch 32 (das Wasserstoffgasablaufrohr 14) miteinander verbindet, als ein Bypassdurchgang 11B bezeichnet. Bei der vorliegenden Ausführung wird der Bypassdurchgang 11B in zehn parallele Kanäle 80 durch die Durchgangsvorsprünge 88 aufgeteilt. Die Formen der Verteilungsbahnen 82 und Konvergenzbahnen 84 sind so festgelegt, dass das Wasserstoffgas, das in jeden der oberen fünf der parallelen Kanäle 80 fließt, an vier der Hauptbahnen 43 verteilt wird. Andererseits werden die Formen der Verteilungsbahnen 82 und Konvergenzbahnen 84 so festgelegt, dass das Wasserstoffgas, das in jeden der unteren fünf der parallelen Kanäle 80 fließt, an zwölf der Hauptbahnen 43 verteilt wird.
Wie in 6 gezeigt, ist die Grundstruktur der Rahmenplatte 11A dieselbe wie die der Rahmenplatte 10B (siehe 3). Die Rahmenplatte 11A ist insofern von der Rahmenplatte 10B verschieden, als eine Platte 11D anstelle der Membranelektrodeneinheit 10A vorgesehen ist. Genau besteht der zentrale Teil der Rahmenplatte 11A aus der Platte 11D. Der Teil der Rahmenplatte 11A außer dem zentralen Teil ist aus einem Isoliermaterial hergestellt. Die Platte 11D hat eine Dreischichtstruktur, die einen Plattenhauptkörper aus einem nicht-durchlässigen elektrischen Leiter und ein Paar Carbon-Folien umfasst, die den Plattenhauptkörper einklemmen. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht der Plattenkörper aus einer Metallplatte. Die Platte 11D steht in Kontakt mit dem dritten Separator 70 und dem vierten Separator 90 und schließt den dritten Separator 70 und den vierten Separator 90 elektrisch aneinander an. Da keine der Endzellen 11 eine Membranelektrodeneinheit 10A hat (siehe 1), erzeugen die Endzellen 11 keinen Strom, obgleich Wasserstoffgas und Luft dort hindurchgehen. Das heißt, die Endzellen 11 sind konfiguriert, keinen Strom zu erzeugen.
Nachstehend wird die spezifische Struktur der Rahmenplatte 11A beschrieben. In 6 werden die Komponenten mit derselben Struktur wie die entsprechenden Komponenten in der Rahmenplatte 10B mit denselben Bezugsnummern bezeichnet, und die ausführliche Beschreibung derselben wird weggelassen.
Die Rahmenplatte 11A hat mehrere Durchgangslöcher, die jeweils Teil von einem der Fluidrohre (dem Wasserstoffgaseinführrohr 12, dem Lufteinführrohr 13, dem Wasserstoffgasablaufrohr 14, dem Luftablassrohr 15, dem Kühlmitteleinführrohr 22 und dem Kühlmittelablaufrohr 23) sind. Im Inneren der Endzelle 11 stehen die Rahmenplatte 11A und der dritte Separator 70 (siehe 5) an der Peripherie von jedem Durchgangsloch in engem Kontakt zueinander. Die Rahmenplatte 11A und der zweite Separator 50 (siehe 4) stehen ebenfalls an der Peripherie von jedem Durchgangsloch in engem Kontakt zueinander. Dadurch sind das Wasserstoffgaseinführrohr 12, das Lufteinführrohr 13, das Wasserstoffgasablaufrohr 14, das Luftablaufrohr 15, das Kühlmitteleinführrohr 22 und das Kühlmittelablaufrohr 23 nach außen abgedichtet.
Wie in 5 und 6 gezeigt, hat die Rahmenplatte 11A eine Vielzahl von länglichen Löchern 10E, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 31 (genau der Vertiefung 31A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 erstrecken. Die länglichen Löcher 10E sind Lücken, die sich zwischen dem dritten Separator 70 und dem vierten Separator 90 befinden und das Wasserstoffgaseinführrohr 12 (genauer das Durchgangsloch 31) und das Inneren der Vertiefung 37 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedes längliche Loch 10E Teil der entsprechenden Einführbahn 41 des Bypassdurchgangs 11B, der in der Nähe des Wasserstoffgaseinführrohrs 12 ist.
Die Rahmenplatte 11A hat ebenfalls eine Vielzahl von länglichen Löchern 10F, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 32 (genau der Vertiefung 32A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 erstrecken. Die länglichen Löcher 10F sind Lücken, die sich zwischen dem dritten Separator 70 und dem vierten Separator 90 befinden und das Wasserstoffgasablaufrohr 14 (genauer das Durchgangsloch 32) und das Innere der Vertiefung 37 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes längliche Loch 10F Teil der entsprechenden Ablaufbahn 45 des Bypassdurchgangs 11B, der in der Nähe des Wasserstoffgasablaufrohrs 14 ist.
Die Rahmenplatte 11A hat eine Vielzahl von länglichen Löchern 10G, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 53 (genau der Vertiefung 53A) zu Positionen neben der Vertiefung 57 erstrecken. Die länglichen Löcher 10G sind Lücken, die sich zwischen dem dritten Separator 70 und dem vierten Separator 90 befinden und das Lufteinführrohr 13 (genauer das Durchgangsloch 53) und das Innere der Vertiefung 57 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedes längliche Loch 10G Teil eines Bypassdurchgangs 11C (siehe 1), der das Lufteinführrohr 13 und das Luftablaufrohr 15 aneinander anschließt. Genau ist jedes längliche Loch 10G Teil der entsprechenden Einführbahn 61, die in der Nähe des Lufteinführrohrs 13 ist.
Die Rahmenplatte 11A hat ebenfalls eine Vielzahl von länglichen Löchern 10H, die sich aus Positionen neben dem Durchgangsloch 54 (genau der Vertiefung 54A) zu Positionen neben der Vertiefung 57 erstrecken. Die länglichen Löcher 10H sind Lücken, die sich zwischen dem dritten Separator 70 und dem vierten Separator 90 befinden und das Luftablaufrohr 15 (genauer das Durchgangsloch 54) und das Innere der Vertiefung 57 aneinander anschließen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedes längliche Loch 10H Teil der entsprechenden Ablaufbahn 65 des Bypassdurchgangs 11C, der in der Nähe des Luftablaufrohrs 15 ist.
Die gebrochene Linie W in 7 stellt den Wasserpegel (nachstehend als der maximale Wasserpegel bezeichnet) dar, wenn Wasser in das Wasserstoffgaseinführrohr 12 bei der maximalen Durchflussrate in dem angenommenen Bereich in der Brennstoffzelle im Ruhezustand fließt. Der maximale Wasserpegel W gibt den Wasserpegel an, der aus Ergebnissen von verschiedenen Experimenten und Simulationen erhalten wurde, die von den Erfindern durchgeführt wurden. Wie in 7 gezeigt, werden die Formen von parallelen Kanälen 80 des dritten Separators 70 so festgelegt, dass der obere Rand des Endes nahe dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 des höchsten der unteren fünf Kanäle 80 sich über dem maximalen Wasserpegel W befindet. Der obere Rand des Endes nahe dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 des obersten der unteren fünf parallelen Kanäle 80 entspricht dem von Pfeil E in 7 angezeigten Abschnitt. Die langgestrichelte-kurzgestrichelte Linie in 7 stellt die Grenze zwischen den unteren parallelen Kanälen 80 und den oberen parallelen Kanälen 80 dar.
Nachstehend werden die betrieblichen Auswirkungen beschrieben, die durch die Anwendung der Endzelle 11 mit dem dritten Separator 70 erhalten wurden.
Die Endzelle 11 enthält den Bypassdurchgang 11B, der das Wasserstoffgaseinführrohr 12 und das Wasserstoffablaufrohr 14 aneinander anschließt. Wasser, das in dem Wasserstoffgasrohr 17 oder dem Befeuchter 20 erzeugt worden ist und in die Brennstoffzelle (das Wasserstoffgaseinführrohr 12) eingetreten ist, kann daher durch die Strömung des Wasserstoffgases, der in die Endzelle 11 fließt (genauer den Bypassdurchgang 11B) aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 in die Endzelle 11 gezogen werden. Dies begrenzt den Zufluss von Wasser in die Stromerzeugungszelle 10.
Wenn Wasser in den Bypassdurchgang 11B der Endzelle 11 fließt und dort verbleibt, nimmt die Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche des Bypassdurchgangs 11B (genau der parallelen Kanäle 80, in die das Wasser geflossen ist) entsprechend ab. Dies mag die Strömung des Wasserstoffgases stagnieren, das in den Bypassdurchgang 11B fließt. In diesem Fall ist es unmöglich, ausreichend Wasser aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 in den Bypassdurchgang 11B zu ziehen.
Wie in 5 gezeigt, ist im Bypassdurchgang 11B der Endzelle 11 die Anzahl der Hauptbahnen 43, an die ein paralleler Kanal 80 Wasserstoffgas verteilen soll, größer in den unteren parallelen Kanälen 80 als in den oberen parallelen Kanälen 80. Das heißt, die Anzahl der Hauptbahnen 43 von einem parallelen Kanal 40 ist größer in den unteren parallelen Kanälen 80 als in den oberen parallelen Kanälen 80. Der integrierte Wert der Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der Hauptbahnen 43 in jedem der unteren parallelen Kanäle 80 (der Gesamtwert der Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der zwölf Hauptbahnen 43) ist daher größer als der integrierte Wert der Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der Hauptbahnen 43 in jedem der oberen parallelen Kanäle 80 (der Gesamtwert der Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der vier Hauptbahnen 43). Daher wird unter den parallelen Kanälen 80, die den Bypassdurchgang 11B bilden, der Druckverlust in den unteren parallelen Kanälen 80, in die Wasser leicht fließt, kleiner gemacht als der Druckverlust in den oberen parallelen Kanälen 80, in die das Wasser nicht leicht fließen kann.
Daher wird die Menge des Wasserstoffgases, das in die unteren parallelen Kanäle 80 fließt, erhöht, wie in 8 schematisch gezeigt, während die Menge des Wasserstoffgases, das in die oberen parallelen Kanäle 80 fließt, auf eine kleine Menge beschränkt ist. Wenn Wasser abgezogen wird und in die unteren parallelen Kanäle 80 fließt, wird infolgedessen das abgezogene Wasser durch die relativ große Menge Gas, die in die parallelen Kanäle 80 fließt, leicht weggetragen. Daher ist es möglich, die Stagnierung von Wasser in den parallelen Kanälen 80 zu unterdrücken und die Funktion des Wassereinzugs in den Bypassdurchgang 11B aufrechtzuerhalten. Die langgestrichelte-kurzgestrichelte Linie in 8 stellt die Grenze zwischen den unteren parallelen Kanälen 80 und den oberen parallelen Kanälen 80 dar.
Wie in 2 gezeigt, ist in dem Wasserstoffgasdurchgang 10C der Stromerzeugungszelle 10 die Anzahl der Hauptbahnen 43, an die ein paralleler Kanal 40 Wasserstoffgas verteilt, acht, was allen parallelen Kanälen 40 gemeinsam ist. Dementsprechend ist der integrierte Wert der Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der Hauptbahnen 43 in jedem parallelen Kanal 40 (der Gesamtwert der Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der acht Hauptbahnen 43) ebenfalls allen parallelen Kanälen 40 gemeinsam, und diese parallelen Kanäle 40 zeigen einen im Wesentlichen gleichen Druckverlust.
Wie in 9 schematisch dargestellt, fließt Wasserstoffgas gleichförmig in den Wasserstoffgasdurchgang 10C (die jeweiligen parallelen Kanäle 40) der Stromerzeugungszelle 10 in einem Zustand mit einer begrenzten Ungleichmäßigkeit der Einströmmenge. Dagegen, wie oben beschrieben, ist im Bypassdurchgang 11B (8) der Endzelle 11 die Einströmmenge des Wasserstoffgases in die oberen parallelen Kanäle 80 auf eine kleine Menge beschränkt, sodass die Einströmmenge des Wasserstoffgases in die unteren parallelen Kanäle 80 erhöht wird. Dementsprechend ist es möglich, die Menge des Wasserstoffgases, die in die parallelen Kanäle 80 auf der unteren Seite der Endzelle 11 fließt, unter den Teilbereichen in der Brennstoffzelle, in die Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 fließt, zu maximieren. Die Teilbereiche in der Brennstoffzelle, in die Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 fließt, beziehen sich spezifisch auf die parallelen Kanäle 40 der Stromerzeugungszelle 10, die parallelen Kanäle 80 auf der unteren Seite der Endzelle 11 und die parallelen Kanäle 80 auf der oberen Seite der Endzelle 11. Dies ermöglicht, dass Wasser in dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 leicht in die Endzelle 11 gezogen wird, sodass das Wasser zuverlässig daran gehindert wird, in die Stromerzeugungszelle 10 zu fließen.
Wie in 7 gezeigt, ist der oberste der fünf parallelen Kanäle 80 auf der unteren Seite in der Endzelle 11 so angeordnet, dass der obere Rand E des Endes nahe dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 (die linke Seite in 7) sich über dem maximalen Wasserpegel W befindet. Genauer, der obere Rand des Kommunikationsteils zwischen dem Durchgangsloch 31 und dem obersten der unteren fünf parallelen Kanäle 80 ist über dem maximalen Wasserpegel W. Wenn daher Wasser, das in das Wasserstoffgaseinführrohr 12 geflossen ist, die Position der Endzelle 11 (genauer den Kommunikationsteil zwischen dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 und dem Bypassdurchgang 11B) erreicht, wird das Wasser nicht an den Enden der oberen parallelen Kanäle 80 vorhanden sein, sondern an den Enden der unteren parallelen Kanäle 80, in denen die Einströmgeschwindigkeit infolge der großen Einströmmenge von Wasserstoffgas hoch ist. Durch Ausnutzung der Strömung des Wasserstoffgases, das in die unteren parallelen Kanäle 80 aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 fließt, wird daher das Wasser in dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 zuverlässig in den Bypassdurchgang 11B gezogen.
In der Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist das Wasserstoffgasrohr 17 an die Endzelle 11 an einem Ende (der linken Seite in 1) in der Stapelrichtung D über die Stapelsammelleitung 16 angeschlossen. Wenn daher Wasser in das Wasserstoffgaseinführrohr 12 aus dem Wasserstoffgasrohr 17 oder dem Stapelsammelrohr 16 fließt, wird das Wasser von der Endzelle 11 eingezogen, ehe es die Stromerzeugungszelle 10 erreicht. Dadurch wird die Wassermenge, welche die Stromerzeugungszelle 10 erreicht, reduziert. Ebenfalls ist es möglich, dass infolge des Schwankens oder Wendens des elektrischen Fahrzeugs das Wasser, das in das Wasserstoffgaseinführrohr 12 geflossen ist, durch den Teil geht, wo die Stromerzeugungszellen 10 angeordnet sind, und die Endzelle 11 weiter weg von dem Stapelsammelrohr 16 (die Endzelle 11 auf der rechten Seite, wie in 1 gesehen) erreicht. In einem solchen Fall kann das Wasser, das die Position der Endzelle 11 erreicht hat, in den Bypassdurchgang 11B der Endzelle 11 gezogen werden. Auf diese Weise beschränkt die Brennstoffzelle nach der vorliegenden Ausführungsform zuverlässig den Zufluss von Wasser in die Stromerzeugungszelle 10.
Wie nachstehen beschrieben, erzielt die vorliegende Ausführungsform die folgenden Vorteile.

(1) Wasser, das in dem Wasserstoffgasrohr 17 oder dem Befeuchter 20 erzeugt und in das Wasserstoffgaseinführrohr 12 eingetreten ist, kann in den Bypassdurchgang 11B der Endzelle 11 durch die Strömung des Wasserstoffgases, das in den Bypassdurchgang 11B aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 geströmt ist, gezogen werden. Dies begrenzt den Zufluss von Wasser in die Stromerzeugungszelle 10. Auch wird unter den parallelen Kanälen 80, die den Bypassdurchgang 11B bilden, der Druckverlust in jedem der unteren parallelen Kanäle 80, in die Wasser leicht fließt, kleiner gemacht als der Druckverlust in jedem der oberen parallelen Kanäle 80, in die Wasser nicht leicht fließen kann. Wenn Wasser daher gezogen wird und in die unteren parallelen Kanäle 80 fließt, wird das eingezogene Wasser leicht von der relativ großen Menge des Gases, das in die parallelen Kanäle 80 strömt, weggetragen. Daher ist es möglich, die Stagnierung von Wasser in den parallelen Kanälen 80 zu unterdrücken und die Funktion des Wassereinzugs in den Bypassdurchgang 11B aufrechtzuerhalten.
(2) Der oberste der unteren parallelen Kanäle 80 ist so angeordnet, dass der obere Rand des Endes nahe dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 sich über dem maximalen Wasserpegel W befindet. Durch Ausnutzung der Strömung des Wasserstoffgases, das in die unteren parallelen Kanäle 80 aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 strömt, wird das Wasser in dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 zuverlässig in den Bypassdurchgang 11B gezogen.
(3) Das Wasserstoffgasrohr 17 ist an die Endzelle 11 angeschlossen, die an einem Ende in der Stapelrichtung D angeordnet ist. Wenn infolgedessen Wasser aus dem Wasserstoffgasrohr 17 zum Wasserstoffgaseinführrohr 12 fließt, wird das Wasser in den Bypassdurchgang 11B der Endzelle 11 gezogen, ehe es die Stromerzeugungszelle 10 erreicht. Dies begrenzt zuverlässig den Zufluss von Wasser in die Stromerzeugungszelle 10.
(4) Im Bypassdurchgang 11B der Endzelle 11 ist die Anzahl der Hauptbahnen 43 von jedem der unteren parallelen Kanäle 80 so eingestellt, dass sie größer ist als die Anzahl der Hauptbahnen 43 von jedem der oberen parallelen Kanäle 80. Unter den parallelen Kanälen 80, die den Bypassdurchgang 11B bilden, wird deshalb der Druckverlust in jedem unteren parallelen Kanal 80, in den Wasser leicht fließt, kleiner gemacht als der Druckverlust in jedem oberen parallelen Kanal 80, in den Wasser nicht leicht fließen kann.
(5) Im Wasserstoffgasdurchgang 10C der Stromerzeugungszelle 10 ist die Anzahl der Hauptbahnen 43 von einem parallelen Kanal 40 gemeinsam für alle parallelen Kanäle 40 festgelegt. Dementsprechend ist es möglich, die Menge des Wasserstoffgases, das in die parallelen Kanäle 80 auf der unteren Seite der Endzelle 11 unter den Teilabschnitten in der Brennstoffzelle, in die Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 strömt, zu maximieren. Dies erlaubt, dass Wasser in dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 leicht in die Endzelle 11 gezogen wird, sodass das Wasser zuverlässig daran gehindert wird, in die Stromerzeugungszelle 10 zu fließen.

<Modifikationen>
Die oben beschriebene Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden.
Die Hauptbahnen 43 des ersten Separators 30 und des dritten Separators 70 können von welligen Bahnen gebildet werden. Das heißt, der erste Separator 30 und der dritte Separator 70 können so geformt sein, dass mehrfache wellige Hauptbahnen 43 sich parallel erstrecken. Die Hauptbahnen 63 des zweiten Separators 50 und des vierten Separators 90 können von geraden Bahnen gebildet werden. Das heißt, der zweite Separator 50 und der vierte Separator 90 können so geformt sein, dass mehrfache gerade Hauptbahnen 63 sich parallel erstrecken.
Der Druckverlust der parallelen Kanäle 80 kann voneinander verschieden gemacht werden, indem die Durchgangsweiten und Durchgangshöhen einer Vielzahl von Hauptbahnen 43, die Teil des Bypassdurchgangs 11B bilden, differenziert werden, um die Strömungsdurchgangsquerschnittsfläche der Hauptbahnen 43 zu differenzieren.
Die Endzelle ist nicht auf eine Endzelle beschränkt, die von dem dritten Separator 70, dem vierten Separator 90 und der Platte 11D, die zwischen dem dritten Separator 70 und dem vierten Separator 90 eingeklemmt ist, gebildet wird. Eine Endzelle kann verwendet werden, die aus zwei Separatoren und einer Platte oder Folie aus porösem Material (einer Carbon-Folie, die dieselbe Struktur hat wie zum Beispiel die Gasdiffusionsschicht), die zwischen den zwei Separatoren eingeklemmt ist, zusammengesetzt ist. Wenn in diesem Fall Wasserstoffgas und Luft durch eine Endzelle hindurchgehen dürfen, stören sich die Strömung des Wasserstoffgases und die Strömung der Luft möglicherweise gegenseitig im Inneren der Endzelle, was ein glattes Ansaugen von Wasser in die Endzelle und einen glatten Abfluss von Wasser nach außen verhindern kann. Daher wird ein Paar Endzellen, bestehend aus einer Endzelle, die konfiguriert ist, nur Wasserstoffgas durchgehen zu lassen, und einer Endzelle, die konfiguriert ist, nur Luft durchgehen zu lassen, vorzugsweise an den entgegengesetzten Enden der Stromerzeugungszellen 10 jeweils in Laminierungsrichtung D installiert.
Der oberste der unteren parallelen Kanäle 80 kann so angeordnet sein, dass der obere Rand des Endes nahe dem Wasserstoffgaseinführrohr 12 sich unter dem maximalen Wasserpegel W befindet.
Die Endzelle kann einen vierten Separator haben mit einer Grundstruktur, die ein Spiegelbild der Form des dritten Separators 70 ist. Zum Beispiel kann der Druckverlust von jedem der unteren parallelen Kanäle des vierten Separators der Endzelle kleiner sein als der Druckverlust von jedem der oberen parallelen Kanäle. Bei dieser Konfiguration wird in einer Brennstoffzelle, in der Wasser in das Lufteinführrohr vom Luftrohr aus eindringen kann, das eingedrungene Wasser durch die Strömung der Luft, die aus dem Lufteinführrohr in den Bypassdurchgang strömt, in den Bypassdurchgang gezogen. Dies schränkt den Zufluss von Wasser in die Stromerzeugungszellen ein. Wenn ferner Wasser in die unteren parallelen Kanäle der Endzelle gezogen wird, wird das gezogene Wasser von einer relativ großen Menge Gas, das in die parallelen Kanäle fließt, leicht weggetragen. Daher ist es möglich, die Stagnierung von Wasser in den parallelen Kanälen zu unterdrücken und die Funktion des Wassereinzugs in den Bypassdurchgang aufrechtzuerhalten.
Die Brennstoffzelle der oben veranschaulichten Ausführungsform kann ebenfalls auf eine Brennstoffzelle angewandt werden, bei der der Befeuchter 20 nicht im Wasserstoffgasrohr 17 vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Konfiguration beschränkt, bei der eine Endzelle 11 an jedem Ende in der Stapelrichtung D der Stromerzeugungszelle 10 vorgesehen ist. Stattdessen können zwei oder mehr Endzellen an jedem Ende vorgesehen werden.
Die Brennstoffzelle der oben veranschaulichten Ausführungsform kann ebenfalls auf eine Brennstoffzelle angewandt werden, bei der eine Endzelle nur an einem der entgegengesetzten Enden in der Stapelrichtung D der Stromerzeugungszellen 10 vorgesehen ist.
Die Brennstoffzelle der oben veranschaulichten Ausführungsform ist nicht nur auf eine Brennstoffzelle anwendbar, die in einem elektrischen Fahrzeug montiert ist, sondern auch auf eine Brennstoffzelle, die unbeweglich am Boden befestigt ist wie eine Hausbrennstoffzelle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009164051 [0004]

Claims

Eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Vielzahl von gestapelten Stromerzeugungszellen; eine Endzelle, die mindestens an einem von entgegengesetzten Enden in einer Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen vorgesehen ist; Gasdurchgänge, die jeweils in den Stromerzeugungszellen ausgebildet sind und durch die Stromerzeugungsgas hindurchgeht; ein Einführrohr, welches das Stromerzeugungsgas verteilt und in die Gasdurchgänge einführt; ein Ablaufrohr, das Strömung des Stromerzeugungsgases nach Durchgang durch die Gasdurchgänge vereint und die vereinte Strömung abführt; und einen Bypassdurchgang, der in der Endzelle ausgebildet ist, um das Einführrohr und das Ablaufrohr aneinander anzuschließen, wobei jede Stromerzeugungszelle eine Membranelektrodeneinheit und ein Paar Separatoren aufweist, welche die Membranelektrodeneinheit beidseitig umgeben, und die Endzelle konfiguriert ist, keine Strömung zu erzeugen, wobei die Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bypassdurchgang aus einer Vielzahl von parallelen Kanälen besteht, von denen jeder unabhängig an das Einführrohr angeschlossen ist, die parallelen Kanäle eine Vielzahl von unteren parallelen Kanälen und eine Vielzahl von oberen parallelen Kanälen umfassen und ein Druckverlust in jedem der unteren parallelen Kanäle kleiner ist als ein Druckverlust in jedem der oberen parallelen Kanäle.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Rand von einem Ende nahe dem Einführrohr von einem höchsten der unteren parallelen Kanäle sich über einem maximalen Wasserpegel des Wassers befindet, das in das Einführrohr fließt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endzelle an einen Gaszuführdurchgang angeschlossen ist, der das Stromerzeugungsgas von der Außenseite in das Innere des Einführrohrs einführt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder parallele Kanal eine Einführbahn, die an das Einführrohr angeschlossen ist, und eine Vielzahl von sich verzweigenden Bahnen, die sich von der Einführbahn aus verzweigen und erstrecken, aufweist, und dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der sich verzweigenden Bahnen in jedem der unteren parallelen Kanäle größer ist als die Anzahl der sich verzweigenden Bahnen in jedem der oberen parallelen Kanäle.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gasdurchgang aus einer Vielzahl von parallelen Kanälen besteht, von denen jeder unabhängig an das Einführrohr angeschlossen ist, und die parallelen Kanäle in jedem Gasdurchgang einen gleichen Druckverlust haben.