DE102018208146A1

DE102018208146A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102018208146A1
Application number: DE102018208146.8A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Sakano; Hiroshi Morikawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: DE102018208146B4; CN108933272B; US20180342741A1; JP2018200751A; CN108933272A; JP6596039B2; US11081706B2

Abstract

Ein Brennstoffzellenstapel (10) umfasst einen Stapelkörper (14) von Stromerzeugungszellen (12), welche in einer horizontalen Richtung gestapelt sind. Ein Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas (48) ist in dem Brennstoffzellenstapel (10) gebildet, um einem Sauerstoff enthaltenden Gas zu erlauben, entlang einer Elektrodenfläche einer Membran-Elektroden-Anordnung (28a) zu strömen. Eine Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) zum Abgeben des Sauerstoff enthaltenden Gases als ein Reaktionsgas treten durch den Brennstoffzellenstapel (10) in einer Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen (12) hindurch. Jeder der Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) ist mit einem Auslass (35b) verbunden. Die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) sind miteinander durch einen ersten Verbindungskanal (70) an dem Auslass (35b) entgegengesetzten Enden verbunden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Feld der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel.
Beschreibung des Stands der Technik:
Im Allgemeinen stellt eine Brennstoffzelle mit Feststoffpolymerelektrolyt eine Feststoffpolymerelektrolyt-Membran bereit. Die Feststoffpolymerelektrolyt-Membran ist eine Polymerionen-Austauschmembran. Die Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Die Membran-Elektroden-Anordnung ist durch Bereitstellen einer Anode an einer Fläche der Feststoffpolymerelektrolyt-Membran und durch Bereitstellen einer Katode an der anderen Fläche der Feststoffpolymerelektrolyt-Membran gebildet.
Die Membran-Elektroden-Anordnung ist zwischen Separatoren (bipolaren Platten) eingefasst, um eine Stromerzeugungszelle (Einheitszelle) zu bilden. Eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen sind zusammen gestapelt, um, zum Beispiel, einen Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel zu bilden, welcher in einem Fahrzeug angebracht ist.
In dem Brennstoffzellenstapel ist ein Brennstoffgas-Strömungsfeld zwischen der MEA und einem der Separatoren, als eines von Reaktionsgas-Strömungsfeldern, gebildet und ein Sauerstoff enthaltendes Strömungsfeld ist zwischen der MEA und dem anderen der Separatoren, als das andere aus den Reaktionsgas-Strömungsfeldern, gebildet. Ferner erstrecken sich durch den Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung ein Brennstoffgas-Lieferdurchgang zum Liefern eines Brennstoffgases an das Brennstoffgas-Strömungsfeld, ein Brennstoffgas-Abgabedurchgang zum Abgeben des Brennstoffgases aus dem Brennstoffgas-Strömungsfeld, ein Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas zum Liefern eines Sauerstoff enthaltenden Gases an das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas und Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas zum Abgeben des Sauerstoff enthaltenden Gases aus dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas. Der Brennstoffzellenstapel mit einer derartigen Struktur ist zum Beispiel in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung mit der Nr. 2005-251526 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
In herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln sind ein Brennstoffgas-Abgabedurchgang und ein Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas bereitgestellt und Auslässe für diese Reaktionsgas-Abgabedurchgänge sind mit Krümmern an einem Ende in der Richtung verbunden, in welcher sich die Reaktionsgas-Abgabedurchgänge erstrecken. In der Struktur, zum Beispiel in dem Fall, in dem ein Brennstoffzellenstapel, welcher in einem Fahrzeug angebracht ist, in einer Stapelrichtung geneigt ist, wird in dem Brennstoffzellenstapel produziertes Wasser (produziertes Wasser) an einem tiefen Ende des Reaktionsgas-Abgabedurchgangs (einem Ende dem Auslass gegenüberliegend) gehalten. Im Ergebnis, da der Druckverlust in der Stromerzeugungszelle, welche an dem Ende in der Stapelrichtung angeordnet ist (Endzelle) gesteigert wird, kann das Reaktionsgas nicht einfach in die Endzelle eintreten. In der Stromerzeugungszelle, welche einen Mangel der Reaktionsgase aufweist, wird eine Konzentration überproportional gesteigert und die Zellspannung wird vermindert. Im Ergebnis kann die Stromerzeugung nicht stabil durchgeführt werden. Daher kann ein Fortführen der Stromerzeugung schwierig werden. Ferner, da eine Schwächung der Elektrolytmembranen, eine Schwächung des Elektrodenkatalysators und eine Korrosion der Separatoren auftreten kann, da stehendes/stagnierendes Wasser in den Zellen gehalten wird, wird die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels kurz.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des obigen Problems gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, in welcher es möglich ist, eine Stagnation von produziertem Wasser an einem tiefen Ende eines Reaktionsgas-Abgabedurchgangs zu unterdrücken, wenn der Brennstoffzellenstapel geneigt ist.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, umfasst in der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellenstapel einen Stapelkörper einer Mehrzahl von Stromerzeugungszellen, welche in einer horizontalen Richtung gestapelt sind. Jede der Stromerzeugungszellen umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung und einen Separator, welcher an der Membran-Elektroden-Anordnung gestapelt ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Elektrolytmembran und Elektroden, welche an beiden Seiten der Elektrolytmembran bereitgestellt sind. Ein Reaktionsgas-Strömungsfeld ist in dem Brennstoffzellenstapel gebildet und dazu eingerichtet, einem Reaktionsgas zu erlauben, entlang einer Elektrodenfläche zu strömen. Eine Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen ist mit dem Reaktionsgas-Strömungsfeld verbunden und dazu eingerichtet, das Reaktionsgas abzugeben, und die Reaktionsgas-Abgabedurchgänge treten in einer Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen durch den Brennstoffzellenstapel hindurch. Jeder der Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen weist einen Auslass des Reaktionsgases auf und die Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen sind miteinander durch einen Verbindungskanal an zu den Auslässen entgegengesetzten Enden verbunden.
Vorzugsweise kann der Brennstoffzellenstapel einen Ablass umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, produziertes Wasser abzugeben, wobei der Ablass durch den Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung hindurchtreten kann und der Ablass mit dem Verbindungskanal verbunden sein kann. Vorzugsweise kann der Verbindungskanal in einer Anschlussplatte, einem Isolator oder einer Endplatte bereitgestellt sein, welche an einem Ende des Stapelkörpers positioniert ist/sind.
Vorzugsweise kann die Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen zwei Reaktionsgas-Abgabedurchgänge mit unterschiedlichen Höhen umfassen; und der Ablass kann unter dem Reaktionsgas-Abgabedurchgang positioniert sein, welcher an einer unteren Seite positioniert ist.
Vorzugsweise kann der Brennstoffzellenstapel einen Relaiskanal umfassen, welcher von einem unteren Ende des Verbindungskanals nach unten geneigt ist, wobei der Ablass mit dem Verbindungskanal durch den Relaiskanal verbunden sein kann.
In dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen gebildet und die Reaktionsgas-Abgabedurchgänge sind miteinander durch einen Verbindungskanal verbunden. Daher, wenn der Brennstoffzellenstapel geneigt ist, ist es möglich, die Menge von produziertem Wasser (stehendem Wasser), welches an dem tiefen Ende des Reaktionsgas-Abgabedurchgangs des Stapelkörpers gehalten wird, zu reduzieren oder das produzierte Wasser (stehende Wasser) daran zu hindern, an dem tiefen Ende des Reaktionsgas-Abgabedurchgangs des Stapelkörpers gehalten zu werden. In der Struktur ist es möglich, die Stromerzeugungsstabilität des Brennstoffzellenstapels zu verbessern. Ferner ist es möglich, da die Menge des stehenden Wassers reduziert wird oder kein stehendes Wasser produziert wird, die Lebensdauer von wenigstens einem beliebigen aus der Elektrolytmembran, dem Elektrodenkatalysator und dem Separator zu verlängern.
Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als darstellendes Beispiel gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche eine Stromerzeugungszelle zeigt;
3 ist eine Ansicht, welche eine Struktur eines ersten Metallseparators zeigt, wie aus einem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas gesehen;
4 ist eine Querschnittsansicht, welche den Brennstoffzellenstapel in einer Fläche schematisch zeigt, umfassend eine Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas;
5 ist eine Querschnittsansicht, welche den Brennstoffzellenstapel in einer Fläche schematisch zeigt, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche entlang einer Linie VI-VI in 4 und 5 genommen worden ist; und
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Vorteil eines Brennstoffzellenstapels darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Wie in 1 gezeigt umfasst ein Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Stapelkörper 14, welcher durch Stapeln einer Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 12 in einer horizontalen Richtung, angezeigt durch einen Pfeil A, oder in einer Schwerkraftsrichtung, angezeigt durch einen Pfeil C, gebildet ist. Zum Beispiel ist der Brennstoffzellenstapel 10 in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, wie beispielsweise einem Brennstoffzellen-Elektroautomobil (nicht gezeigt) angebracht.
An einem Ende des Stapelkörpers 14 in der Stapelrichtung, angezeigt durch den Pfeil A, ist eine Anschlussplatte (Stromsammelplatte) 16a bereitgestellt. Ein Isolator 18a ist an einer Außenseite der Anschlussplatte 16a bereitgestellt und eine Endplatte 20a ist an einer Außenseite des Isolators 18a bereitgestellt. An einem anderen Ende des Stapelkörpers 14 in der Stapelrichtung ist eine Anschlussplatte 16b bereitgestellt. Ein Isolator 18b ist außerhalb der Anschlussplatte 16b bereitgestellt und eine Endplatte 20b ist außerhalb des Isolators 18b bereitgestellt. Einer der Isolatoren 18a, 18b, das heißt der Isolator 18a, ist zwischen dem Stapelkörper 14 und einer der Endplatten 20a, 20b positioniert, das heißt der Endplatte 20a. Der andere Isolator 18b ist zwischen dem Stapelkörper 14 und der anderen Endplatte 20b positioniert. Die Isolatoren 18a, 18b sind aus einem isolierenden Material gebildet, wie beispielsweise Polycarbonat (PC) oder Phenolharz.
Jede der Endplatten 20a, 20b weist eine lateral längliche (oder longitudinal längliche) rechteckige Form auf. Kopplungsstangen 24 sind zwischen den Seiten der Endplatten 20a, 20b positioniert. Beide Enden der Kopplungsstangen 24 sind an inneren Flächen der Endplatten 20a, 20b befestigt, um eine Spannungslast auf eine Mehrzahl von gestapelten Stromerzeugungszellen 12 in der Stapelrichtung, angezeigt durch den Pfeil A, einzuwirken. Es sei erwähnt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 ein Gehäuse aufweisen kann, welches Endplatten 20a, 20b umfasst, und der Stapelkörper 14 kann in dem Gehäuse platziert sein.
Wie gezeigt in 2 ist in der Stromerzeugungszelle 12 eine mit einem Harzrahmen ausgestattete MEA 28 zwischen einem ersten Metallseparator 30 und einem zweiten Metallseparator 32 eingefasst. Jeder aus dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32 ist durch Pressformen einer dünnen Metallplatte gebildet, um im Querschnitt eine korrugierte Form aufzuweisen. Zum Beispiel ist die Metallplatte eine Stahlplatte, eine rostfreie Stahlplatte, eine Aluminiumplatte, eine plattenförmige Stahlplatte oder eine Metallplatte mit einer Antikorrosions-Fläche durch Oberflächenbehandlung. Äußere Enden des ersten Metallseparators 30 und des zweiten Metallseparators 32 sind miteinander durch Schweißen, Löten, Kräuseln etc. verbunden, um einen verbundenen Separator 33 zu bilden.
Die mit dem Harzrahmen ausgestattete MEA 28 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 28a (nachfolgend als die „MEA 28a“ bezeichnet) und ein Harzrahmenelement 46, welches mit dem äußeren Ende der MEA 28a verbunden ist und um das äußere Ende der MEA 28a herum bereitgestellt ist. Die MEA 28a umfasst eine Elektrolytmembran 40, eine Anode (erste Elektrode) 42, welche an einer Fläche der Elektrolytmembran 40 bereitgestellt ist, und eine Katode (zweite Elektrode) 44, welche an einer anderen Fläche der Elektrolytmembran 40 bereitgestellt ist.
Zum Beispiel ist die Elektrolytmembran 40 eine Feststoffpolymerelektrolyt-Membran (Kationen-Ionen-Austauschmembran). Die Feststoffpolymerelektrolyt-Membran ist eine dünne Membran aus zum Beispiel Wasser enthaltender perfluorsulfatischer Säure. Die Elektrolytmembran 40 ist zwischen der Anode 42 und der Katode 44 angeordnet. Ein Fluor basiertes Elektrolyt kann als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden. Alternativ kann ein HC (Kohlenwasserstoff) basiertes Elektrolyt als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden.
Obwohl nicht gezeigt, umfasst die Anode 42 eine erste Elektrodenkatalysator-Schicht, welche mit einer Fläche der Elektrolytmembran 40 verbunden ist, und eine erste Gasdiffusionsschicht, welche an der ersten Elektrodenkatalysator-Schicht gestapelt ist. Die Katode 44 umfasst eine zweite Elektrodenkatalysator-Schicht, welche mit einer anderen Fläche der Elektrolytmembran 40 verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht, welche an der zweiten Elektrodenkatalysator-Schicht gestapelt ist.
An einem Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der longitudinalen Richtung, angezeigt durch einen Pfeil B (horizontale Richtung in 2), sind ein Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, eine Mehrzahl von Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b und eine Mehrzahl von (zum Beispiel zwei wie in dem Fall der vorliegenden Erfindung) Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b (Reaktionsgas-Abgabedurchgängen) bereitgestellt. Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung. Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b treten durch den Stapelkörper 14, den Isolator 18a und die Endplatte 20a in der Stapelrichtung hindurch (der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b können durch die Anschlussplatte 16a hindurchtreten). Diese Durchgänge sind in der vertikalen Richtung angeordnet. Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise ein Wasserstoff enthaltendes Gas als eines der Reaktionsgase wird durch die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b abgegeben. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas, als ein anderes der Reaktionsgase, wird durch den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a geliefert. Das Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b abgegeben.
Der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a ist zwischen den zwei Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b positioniert, welche separat an oberen und unteren Positionen bereitgestellt sind. Die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b umfasst einen oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 und einen unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2. Der obere Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 ist über dem oberen Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b positioniert. Der untere Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 ist unter dem unteren Kühlmittel-Abgabedurchgang 36b positioniert.
An einem anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung sind ein Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, eine Mehrzahl von Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a und eine Mehrzahl von (zum Beispiel zwei wie in dem Fall der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung) Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b (Reaktionsgas-Abgabedurchgänge) bereitgestellt. Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der Stapelrichtung. Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b treten durch den Stapelkörper 14, den Isolator 18a und die Endplatte 20a in der Stapelrichtung hindurch (der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b können durch die Anschlussplatte 16a hindurchtreten). Diese Durchgänge sind in der vertikalen Richtung angeordnet. Das Brennstoffgas wird durch den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a geliefert. Das Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a geliefert. Das Sauerstoff enthaltende Gas wird durch die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b abgegeben. Die Gestaltung des Lieferdurchgangs für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, der Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b, des Brennstoffgas-Lieferdurchgangs 38a und der Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b ist nicht auf die obige Ausführungsform begrenzt und kann abhängig von der erforderlichen Spezifikation geändert werden.
Der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a ist zwischen den zwei Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a positioniert, welche getrennt an oberen und unteren Positionen bereitgestellt sind. Die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b umfassen einen oberen Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 und einen unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2. Der obere Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 ist über dem oberen Kühlmittel-Lieferdurchgang 36a positioniert. Der untere Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 ist unter dem unteren Kühlmittel-Lieferdurchgang 36a positioniert.
Wie gezeigt in 1, sind der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a und der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a mit Einlässen 35a, 37a, 39a verbunden, welche an der Endplatte 20a bereitgestellt sind. Ferner sind die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b, die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b mit Auslässen 35b, 37b, 39b verbunden, welche an der Endplatte 20a bereitgestellt sind.
Wie gezeigt in 2, sind an einem Ende des Harzrahmenelements 46 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Mehrzahl von Kühlmittelabgabe-Durchgängen 36b und die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b bereitgestellt. An dem anderen Ende des Harzrahmenelements 46 sind in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Mehrzahl von Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a und die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b bereitgestellt.
Die Elektrolytmembran 40 kann ohne Verwendung des Harzrahmenelements 46 nach außen vorstehen. Ferner kann an beiden Seiten der Elektrolytmembran 40 ein rahmenförmiger Film bereitgestellt sein, welcher nach außen vorsteht.
Wie gezeigt in 3, weist der erste Metallseparator 30 ein Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 an seiner Fläche 30a auf, welche zu der mit dem Harzrahmen ausgestatteten MEA 28 weist. Zum Beispiel erstreckt sich das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 ist (in Fluidverbindung) mit dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b verbunden. Das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 umfasst gerade Strömungsnuten (oder gewellte Strömungsnuten) 48b zwischen einer Mehrzahl von Rippen 48a, welche sich in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung erstrecken.
Ein Einlasspuffer 50a ist zwischen dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 bereitgestellt. Eine Mehrzahl von Vorsprüngen sind in dem Einlasspuffer 50a durch Pressformen gebildet. Ein Auslasspuffer 50b ist zwischen den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b und dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 durch Pressformen gebildet. Eine Mehrzahl von Vorsprüngen sind in dem Auslasspuffer 50b gebildet.
Eine Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen sind an der Fläche 30a des ersten Metallseparators 30 durch Pressformen gebildet. Die Metall-Lippendichtungen erstrecken sich in Richtung der mit dem Harzrahmen ausgestatteten MEA 28. Anstelle der Metall-Lippendichtung kann eine rippenförmige elastische Dichtung, welche aus einem elastischen Material hergestellt ist, bereitgestellt sein. Die Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen umfassen einen äußeren Wulst 52a, einen inneren Wulst 52b und eine Mehrzahl von Durchgangswulsten 52c. Der äußere Wulst 52a ist entlang des äußeren Endes der Fläche 30a bereitgestellt. Der innere Wulst 52b ist um das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48, den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b herum bereitgestellt, wobei dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 erlaubt wird, mit dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und den Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b verbunden zu sein.
Die Mehrzahl von Durchgangswulsten 52c ist um den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a bzw. die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b herum gebildet. Der äußere Wulst 52a kann wie benötigt bereitgestellt sein und der äußere Wulst 52a kann nicht bereitgestellt sein.
Wie gezeigt in 2, weist der zweite Metallseparator 32 ein Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 an seiner Fläche 32a auf, welche zu der mit dem Harzrahmen ausgestatteten MEA 28 weist. Zum Beispiel erstreckt sich das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 in einer durch einen Pfeil B angezeigten Richtung. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 ist (in Fluidverbindung) mit dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b verbunden. Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 umfasst eine Mehrzahl von geraden Strömungsnuten (oder gewellten Strömungsnuten) 58b, welche sich zwischen einer Mehrzahl von Rippen 58a in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung gerade erstrecken.
Ein Einlasspuffer 60a ist zwischen dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 durch Pressformen gebildet. Eine Mehrzahl von Vorsprüngen sind in dem Einlasspuffer 60a gebildet. Ein Auslasspuffer 60b ist zwischen den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b und dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 durch Pressformen gebildet. Eine Mehrzahl von Vorsprüngen ist in dem Auslasspuffer 60b gebildet.
Eine Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen sind an der Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 durch Pressformen gebildet. Die Metall-Lippendichtungen erstrecken sich in Richtung der mit dem Harzrahmen ausgestatteten MEA 28. Anstelle der Metall-Lippendichtungen können rippenförmige elastische Dichtungen, welche aus einem elastischen Material hergestellt sind, bereitgestellt sein. Die Mehrzahl von Metall-Lippendichtungen umfassen einen äußeren Wulst 62a und einen inneren Wulst 62b und eine Mehrzahl von Durchgangswulsten 62c. Der äußere Wulst 62a ist entlang des äußeren Endes der Fläche 32a bereitgestellt. Der innere Wulst 62b ist in der äußeren Wulst 62a, um das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58, den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b herum bereitgestellt, wobei dem Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 erlaubt wird, mit dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und den Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b verbunden zu sein.
Die Mehrzahl von Durchgangswulsten 62c sind um den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a, die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b, die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a bzw. die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b herum gebildet. Der äußere Wulst 62a kann wie benötigt bereitgestellt sein und der äußere Wulst 62a kann nicht bereitgestellt sein.
Ein Kühlmittel-Strömungsfeld 66 ist zwischen einer Fläche 30b des ersten Metallseparators 30 und einer Fläche 32a des zweiten Metallseparators 32 gebildet, welche miteinander durch Schweißen oder durch Löten verbunden sind. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 66 ist (in Fluidverbindung) mit den Kühlmittel-Lieferdurchgängen 36a und den Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b verbunden. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 66 ist durch Stapeln einer Fläche des ersten Metallseparators 30 an der Rückseite des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 und einer Fläche des zweiten Metallseparators 32 an der Rückseite des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 gebildet.
Wie gezeigt in 4, sind der obere Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 und der untere Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 miteinander durch einen ersten Verbindungskanal 70 an Enden (tiefen Enden) verbunden, welche den Auslässen 35b gegenüberliegend sind. In 4 sind zum Zwecke der Verständlichkeit der Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a und die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a (2) nicht dargestellt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Verbindungskanal 70 in dem Isolator 18b bereitgestellt.
Insbesondere erstreckt sich der erste Verbindungskanal 70 in der vertikalen Richtung in dem Isolator 18b. Der erste Verbindungskanal 70 umfasst einen ersten oberen Durchgangsverbindungsteil 70a, welcher dem oberen Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 benachbart ist, einen ersten unteren Durchgangsverbindungsteil 70b, welcher dem unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 benachbart ist, und einen ersten Zwischenteil 70c, welcher mit dem ersten oberen Durchgangsverbindungsteil 70a und dem ersten unteren Durchgangsverbindungsteil 70b verbunden ist. Wie gezeigt in 6 ist die Kanalbreite des ersten Zwischenteils 70c (Kanalbreite in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung) kleiner als die Kanalbreite von jedem aus dem ersten oberen Durchgangsverbindungsteil 70a und dem ersten unteren Durchgangsverbindungsteil 70b. Es sei erwähnt, dass die Kanalbreite des ersten Zwischenteils 70c die selbe oder größer sein kann als die Kanalbreite von jedem aus dem ersten oberen Durchgangsverbindungsteil 70a und dem ersten unteren Durchgangsverbindungsteil 70b.
Anders als die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Verbindungskanal 70 in der Anschlussplatte 16b oder der Endplatte 20b bereitgestellt sein. Alternativ kann der erste Verbindungskanal 70 in einem Verbindungskanalelement bereitgestellt sein, welches außerhalb des Isolators 18b und der Endplatte 20b bereitgestellt ist.
Wie gezeigt in 4, ist ein erster Ablass 72 in dem Brennstoffzellenstapel 10 zum Abgeben von Wasser W (siehe 7), welches an der Katode in dem Brennstoffzellenstapel 10 während eines Betriebs produziert wird, bereitgestellt. Eine Dichtung 72a (siehe 2) ist um den ersten Ablass 72 herum bereitgestellt. Der erste Ablass 72 tritt durch den Brennstoffzellenstapel 10 in der durch den Pfeil A angezeigten Stapelrichtung hindurch und der erste Ablass 72 ist mit dem ersten Verbindungskanal 70 verbunden. Der erste Ablass 72 ist unter der untersten Position des unteren Abgabedurchgangs für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 bereitgestellt.
Ein erster Relaiskanal 74 ist für den Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt. Der erste Relaiskanal 74 ist (in Fluidverbindung) mit dem ersten Verbindungskanal 70 und dem ersten Ablass 72 verbunden. Der erste Relaiskanal 74 umfasst einen ersten Ablassverbindungsteil 74a, welcher dem ersten Ablass 72 benachbart ist. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Relaiskanal 74 in dem Isolator 18b bereitgestellt. In dem Fall, in dem der erste Verbindungskanal 70 in der Endplatte 20b bereitgestellt ist, ist der erste Relaiskanal 74 vorzugsweise auch in der Endplatte 20b bereitgestellt. Der erste Verbindungskanal 70 und der erste Relaiskanal 74 können in dem Isolator 18b und der Endplatte 20b getrennt bereitgestellt sein.
Wie gezeigt in 3, ist der erste Ablass 72 innerhalb des unteren Ablassdurchgangs für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 in der horizontalen Richtung, rechtwinklig zu der Stapelrichtung (in der Richtung, angezeigt durch den Pfeil B) bereitgestellt. Wie gezeigt in 6 ist der erste Relaiskanal 74 mit der untersten Position des ersten Verbindungskanals 70 verbunden und von dem ersten Verbindungskanal 70 in Richtung des ersten Ablasses 72 nach unten geneigt.
Wie gezeigt in 5, sind der obere Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 und der untere Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 miteinander durch einen zweiten Verbindungskanal 80 an den Enden (tiefen Enden), welche den Auslässen 39b gegenüberliegend sind, verbunden. In 5 sind zum Zwecke des Verständnisses der Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a und die Kühlmittel-Abgabedurchgänge 36b nicht dargestellt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der zweite Verbindungskanal 80 in dem Isolator 18b bereitgestellt.
Insbesondere erstreckt sich der zweite Verbindungskanal 80 in der vertikalen Richtung in dem Isolator 18b. Der zweite Verbindungskanal 80 umfasst einen zweiten oberen Durchgangsverbindungsteil 80a, welcher dem oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 benachbart ist, einen zweiten unteren Durchgangsverbindungsteil 80b, welcher dem unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 benachbart ist, und einen zweiten Zwischenteil 80c, welcher mit dem zweiten oberen Durchgangsverbindungsteil 80a und dem zweiten unteren Durchgangsverbindungsteil 80b verbunden ist. Wie gezeigt in 6 ist die Kanalbreite des zweiten Zwischenteils 80c (Kanalbreite in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung) kleiner als die Kanalbreite von jedem aus dem zweiten oberen Durchgangsverbindungsteil 80a und dem zweiten unteren Durchgangsverbindungsteil 80b. Es sei erwähnt, dass die Kanalbreite des zweiten Zwischenteils 80c die selbe oder größer sein kann als die Kanalbreite von jedem aus dem zweiten oberen Durchgangsverbindungsteil 80a und dem zweiten unteren Durchgangsverbindungsteil 80b.
Anders als die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zweite Verbindungskanal 80 in der Anschlussplatte 16b oder der Endplatte 20b bereitgestellt sein. Alternativ kann der zweite Verbindungskanal 80 in einem Verbindungskanalelement bereitgestellt sein, welches außerhalb des Isolators 18b und der Endplatte 20b bereitgestellt ist.
Wie gezeigt in 5, ist ein zweiter Ablass 82 in dem Brennstoffzellenstapel 10 zum Abgeben von Wasser W (siehe 7), welches an der Anode in dem Brennstoffzellenstapel 10 während eines Betriebs (Stromerzeugung) des Brennstoffzellenstapels 10 produziert wird, bereitgestellt. Eine Dichtung 82a (siehe 2) ist um den zweiten Ablass 82 herum bereitgestellt. Der zweite Ablass 82 tritt durch den Brennstoffzellenstapel 10 in der durch den Pfeil A angezeigten Stapelrichtung hindurch und der zweite Ablass 82 ist mit dem zweiten Verbindungskanal 80 verbunden. Der zweite Ablass 82 ist unter der untersten Position des unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgangs 38b2 bereitgestellt.
Ein zweiter Relaiskanal 84 ist für den Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt. Der zweite Relaiskanal 84 ist (in Fluidverbindung) mit dem zweiten Verbindungskanal 80 und dem zweiten Ablass 82 verbunden. Der zweite Relaiskanal 84 umfasst einen zweiten Ablassverbindungsteil 84a, welcher dem zweiten Ablass 82 benachbart ist. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der zweite Relaiskanal 84 in dem Isolator 18b bereitgestellt. In dem Fall, in dem der zweite Verbindungskanal 80 in der Endplatte 20b bereitgestellt ist, ist der zweite Relaiskanal 84 vorzugsweise auch in der Endplatte 20b bereitgestellt. Der zweite Verbindungskanal 80 und der zweite Relaiskanal 84 können in dem Isolator 18b und der Endplatte 20b getrennt bereitgestellt sein.
Wie gezeigt in 2, ist der zweite Ablass 82 innerhalb des unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgangs 38b2 in der horizontalen Richtung, rechtwinklig zu der Stapelrichtung (in der Richtung, angezeigt durch den Pfeil B) bereitgestellt. Wie gezeigt in 6 ist der zweite Relaiskanal 84 mit der untersten Position des zweiten Verbindungskanals 80 verbunden und von dem zweiten Verbindungskanal 80 in Richtung des zweiten Ablasses 82 nach unten geneigt.
Es sei erwähnt, dass nur einer aus dem ersten Verbindungskanal 70 und dem zweiten Verbindungskanal 80 bereitgestellt sein kann und nur einer aus dem ersten Ablass 72 und dem zweiten Ablass 82 bereitgestellt sein kann.
Nachfolgend wird ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 mit einer obigen Struktur beschrieben werden.
Als Erstes wird, wie in 1 gezeigt, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie beispielsweise Luft, an den Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a (Einlass 35a) der Endplatte 20a geliefert. Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wird an den Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a, (Einlass 39a) der Endplatte 20a geliefert. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise reines Wasser, Ethylenglykol, Öl, wird an die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a (Einlässe 37a) der Endplatte 20a geliefert.
Wie gezeigt in 3, strömt Sauerstoff enthaltendes Gas von dem Lieferdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34a in das Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 des ersten Metallseparators 30. Das Sauerstoff enthaltende Gas strömt entlang des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas 48 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung und das Sauerstoff enthaltende Gas wird an die Katode 44 der MEA 28a geliefert.
In der Zwischenzeit, wie gezeigt in 2, wird das Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Lieferdurchgang 38a an das Brennstoffgas-Strömungsfeld 58 des zweiten Metallseparators 32 geliefert. Das Brennstoffgas strömt entlang des Brennstoffgas-Strömungsfelds 58 in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung und das Brennstoffgas wird an die Anode 42 der MEA 28a geliefert.
Daher wird in jeder MEA 28a das Sauerstoff enthaltende Gas, welches an die Katode 44 geliefert wird, und das Brennstoffgas, welches an die Anode 42 geliefert wird, in elektrochemischen Reaktionen in der zweiten Elektrodenkatalysator-Schicht und der ersten Elektrodenkatalysator-Schicht teilweise verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Dann strömt das Sauerstoff enthaltende Gas, welches an die Katode 44 geliefert und teilweise verbraucht worden ist, entlang der Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung. In ähnlicher Weise strömt das Brennstoffgas, welches an die Anode 42 geliefert und teilweise verbraucht worden ist, entlang des Brennstoffgas-Abgabedurchgangs 38b in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung.
Ferner strömt das Kühlmittel, welches an die Kühlmittel-Lieferdurchgänge 36a geliefert worden ist, in dem Kühlmittel-Strömungsfeld 66 zwischen dem ersten Metallseparator 30 und dem zweiten Metallseparator 32. Danach strömt das Kühlmittel in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung. Nachdem das Kühlmittel die MEA 28a gekühlt hat, wird das Kühlmittel aus den Kühlmittel-Abgabedurchgängen 36b abgegeben.
In diesem Fall werden in dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile erhalten.
In dem Brennstoffzellenstapel 10 sind die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b mit unterschiedlichen Höhen ausgebildet und die Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b sind miteinander durch den ersten Verbindungskanal 70 verbunden (siehe 4). Ferner sind die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b mit unterschiedlichen Höhen ausgebildet und die Brennstoffgas-Abgabedurchgänge 38b sind miteinander durch den zweiten Verbindungskanal 80 verbunden (siehe 5).
Daher, wie gezeigt in 7, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 aus der horizontalen Fläche S geneigt wird (zum Beispiel wenn das Fahrzeug, welches mit dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestattet ist, geneigt wird), strömt das produzierte Wasser W von dem oberen Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 zu dem ersten Ablass 72 durch den ersten Verbindungskanal 70. Ferner strömt das produzierte Wasser W von dem unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 zu dem ersten Ablass 72. Ferner wird, wenn das produzierte Wasser W, welches das Volumen des ersten Ablasses 72 übersteigt, in den ersten Ablass 72 strömt, das produzierte Wasser von einem Auslass 73 des ersten Ablasses 72 abgegeben.
Obwohl nicht im Detail dargestellt, strömt auch in dem Strömungskanal an der Anode (5), wenn der Brennstoffzellenstapel 10 geneigt wird, das produzierte Wasser W von dem oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 zu dem zweiten Ablass 82 durch den zweiten Verbindungskanal 80. Ferner strömt das produzierte Wasser W aus dem unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 zu dem zweiten Ablass 82. Dann, wenn das produzierte Wasser W, welches das Volumen des zweiten Ablasses 82 überschreitet, in den zweiten Ablass 82 strömt, wird das produzierte Wasser W aus einem Auslass 83 des zweiten Ablasses 82 abgegeben (siehe 1).
Daher ist es in dem Brennstoffzellenstapel 10 möglich, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 geneigt wird, die Menge des produzierten Wassers W (stehendes Wasser) , welches an dem Ende des Stapelkörpers 14 (Reaktionsgas-Abgabedurchgang) zurückgehalten wird, zu reduzieren oder das produzierte Wasser W (stehendes Wasser) daran zu hindern, an dem Ende des Stapelkörpers 14 (Reaktionsgas-Abgabedurchgang) zurückgehalten zu werden. Demgemäß ist es möglich, die Stabilität einer Stromerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10 zu verbessern. Ferner ist es möglich, da die Menge des stehenden Wassers reduziert wird oder kein stehendes Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 10 produziert wird, die Lebensdauer von wenigstens einem aus der Elektrolytmembran 40, dem Elektrodenkatalysator und dem Separator zu verlängern.
Der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 sind für den Brennstoffzellenstapel 10 zum Abgeben des produzierten Wassers W vorgesehen. Ferner treten der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 durch den Brennstoffzellenstapel 10 in der Stapelrichtung hindurch und der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 sind mit dem ersten Verbindungskanal 70 und dem zweiten Verbindungskanal 80 verbunden. In der Struktur wird es möglich, da eine Abgabe des produzierten Wassers W durch den ersten Ablass 72 und den zweiten Ablass 82 erleichtert wird, die Menge von stehendem Wasser zu reduzieren oder eine Produktion von stehendem Wasser zu verhindern.
Der erste Verbindungskanal 70 und der zweite Verbindungskanal 80 sind in dem Isolator 18b und der Endplatte 20b bereitgestellt, welche an dem Ende des Stapelkörpers 14 positioniert ist/sind. Mit der einfachen und ökonomischen Struktur ist es möglich, den ersten Verbindungskanal 70 und den zweiten Verbindungskanal 80 bereitzustellen.
Die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b umfassen den oberen Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 und den unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2, welche unterschiedliche Höhen aufweisen. Ferner umfasst die Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen 38b den oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 und den unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2, welche unterschiedliche Höhen aufweisen. Ferner sind der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 unter dem unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 bzw. dem unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 positioniert. In der Struktur ist es unter der Wirkung der Schwerkraft möglich, eine Abgabe des produzierten Wassers W in einem größeren Ausmaß zu ermöglichen.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wendet eine Zell-zu-Zell-Kühlstruktur an, wobei jede der Zelleinheiten durch Einfassen einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Metallseparatoren gebildet ist und ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den benachbarten Einheitszellen gebildet ist. Es kann möglich sein, eine Skip-Kühlstruktur anzuwenden, wobei jede der Zelleneinheiten drei oder mehr Metallseparatoren und zwei oder mehr Membran-Elektroden-Anordnungen umfasst, wobei die Zelleinheit durch abwechselndes Stapeln der Metallseparatoren und der Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet ist und ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den benachbarten Einheitszellen gebildet ist.
Alternativ kann es möglich sein, eine Struktur anzuwenden, in welcher der erste Verbindungskanal 70 und der zweite Verbindungskanal 80 bereitgestellt sind, aber der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 nicht bereitgestellt sind. Sogar in dem Fall, in dem der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 nicht bereitgestellt sind, strömt das produzierte Wasser W, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 geneigt wird, von dem oberen Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 zu dem unteren Abgabedurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b2 durch den ersten Verbindungskanal 70 und strömt von dem oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b1 zu dem unteren Brennstoffgas-Abgabedurchgang 38b2 durch den zweiten Verbindungskanal 80. Daher ist es im Vergleich zu dem Fall, in welchem der erste Verbindungskanal 70 und der zweite Verbindungskanal 80 nicht bereitgestellt sind, möglich, die Menge von produziertem stehendem Wasser, welches an den tiefen Enden des oberen Abgabedurchgangs für Sauerstoff enthaltendes Gas 34b1 und des oberen Brennstoffgas-Abgabedurchgangs 38b1 zurückgehalten wird, zu einem größeren Ausmaß zu reduzieren. Es kann möglich sein, eine Struktur anzuwenden, in welcher der erste Ablass 72 und der zweite Ablass 82 nicht bereitgestellt sind und das produzierte Wasser W an die Außenseite direkt aus dem tiefen Ende von jedem der Abgabedurchgänge abgegeben wird.
Ein Brennstoffzellenstapel (10) umfasst einen Stapelkörper (14) von Stromerzeugungszellen (12), welche in einer horizontalen Richtung gestapelt sind. Ein Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas (48) ist in dem Brennstoffzellenstapel (10) gebildet, um einem Sauerstoff enthaltenden Gas zu erlauben, entlang einer Elektrodenfläche einer Membran-Elektroden-Anordnung (28a) zu strömen. Eine Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) zum Abgeben des Sauerstoff enthaltenden Gases als ein Reaktionsgas treten durch den Brennstoffzellenstapel (10) in einer Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen (12) hindurch. Jeder der Abgabedurchgänge für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) ist mit einem Auslass (35b) verbunden. Die Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) sind miteinander durch einen ersten Verbindungskanal (70) an dem Auslass (35b) entgegengesetzten Enden verbunden.

Claims

Brennstoffzellenstapel (10), umfassend einen Stapelkörper (14), welcher eine Mehrzahl von Stromerzeugungszellen (12) umfasst, welche in einer horizontalen Richtung gestapelt sind, wobei die Stromerzeugungszellen (12) jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung (28a) und einen Separator (30, 32) umfassen, welcher an der Membran-Elektroden-Anordnung (28a) gestapelt ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (28a) eine Elektrolytmembran und Elektroden umfasst, welche an beiden Seiten der Elektrolytmembran bereitgestellt sind, wobei ein Reaktionsgas-Strömungsfeld (48, 58) in dem Brennstoffzellenstapel (10) gebildet ist und dazu eingerichtet ist, einem Reaktionsgas zu erlauben, entlang einer Elektrodenfläche zu strömen, wobei eine Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen (34b, 38b) mit dem Reaktionsgas-Strömungsfeld (48, 58) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, das Reaktionsgas abzugeben, und wobei die Reaktionsgas-Abgabedurchgänge (34b, 38b) durch den Brennstoffzellenstapel (10) in einer Stapelrichtung der Stromerzeugungszellen (12) hindurchtreten; wobei jeder der Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen (34b, 38b) einen Auslass (35b, 39b) des Reaktionsgases aufweist; und wobei die Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen (34b, 38b) miteinander durch einen Verbindungskanal (70, 80) an zu den Auslässen (35b, 39b) gegenüberliegenden Enden verbunden sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Ablass (72, 82), welcher dazu eingerichtet ist, produziertes Wasser abzugeben, wobei der Ablass (72, 82) durch den Brennstoffzellenstapel (10) in der Stapelrichtung hindurchtritt und der Ablass (72, 82) mit dem Verbindungskanal (70, 80) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbindungskanal (70, 80) in einer Anschlussplatte (16b), einem Isolator (18b) oder einer Endplatte (20b) bereitgestellt ist, welche an einem Ende des Stapelkörpers (14) positioniert ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen (34b, 38b) zwei Reaktionsgas-Abgabedurchgänge (34b1, 34b2, 38b1, 38b2) mit unterschiedlichen Höhen umfasst; und der Ablass (72, 82) unter dem Reaktionsgas-Abgabedurchgang (34b2, 38b2) positioniert ist, welcher an einer unteren Seite positioniert ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 4, ferner umfassend einen Relaiskanal (74, 84), welcher von einem unteren Ende des Verbindungskanals (70, 80) nach unten geneigt ist, wobei der Ablass (72, 82) mit dem Verbindungskanal (70, 80) durch den Relaiskanal (74, 84) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, umfassend ein Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas (48) und ein Brennstoffgas-Strömungsfeld (58) als das Reaktionsgas-Strömungsfeld (48, 58), wobei die Mehrzahl von Reaktionsgas-Abgabedurchgängen (34b, 38b) eine Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b), welche mit dem Strömungsfeld für Sauerstoff enthaltendes Gas (48) verbunden sind, und eine Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen (38b) umfasst, welche mit dem Brennstoffgas-Strömungsfeld (58) verbunden sind; wobei der Verbindungskanal (70, 80) einen ersten Verbindungskanal (70), welcher mit der Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) verbunden ist, und einen zweiten Verbindungskanal (80) umfasst, welcher mit der Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen (38b) verbunden ist; wobei ein erster Ablass (72) durch den Brennstoffzellenstapel (10) in der Stapelrichtung unterhalb der Mehrzahl von Abgabedurchgängen für Sauerstoff enthaltendes Gas (34b) hindurchtritt und der erste Ablass (72) mit dem ersten Verbindungskanal (70) verbunden ist; und wobei ein zweiter Ablass (82) durch den Brennstoffzellenstapel (10) in der Stapelrichtung unterhalb der Mehrzahl von Brennstoffgas-Abgabedurchgängen (38b) hindurchtritt und der zweite Ablass (82) mit dem zweiten Verbindungskanal (80) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 6, wobei der erste Ablass (72) und der zweite Ablass (82) unterhalb des Strömungsfelds für Sauerstoff enthaltendes Gas (48) und des Brennstoffgas-Strömungsfelds (58) positioniert sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2, wobei ein Harzrahmenelement (46) mit einem äußeren Umfangsabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung (28a) verbunden ist; und der Ablass (72, 82) durch das Harzrahmenelement (46) und den Separator (30, 32) hindurchtritt.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 8, wobei eine Dichtung, welche dazu eingerichtet ist, das Harzrahmenelement (46) um den Ablass (72, 82) herum eng zu kontaktieren, für den Separator (30, 32) bereitgestellt ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 9, wobei die Dichtung eine Lippendichtung (72a, 82a) ist, welche in Richtung des Harzrahmenelements (46) vorsteht.