DE102019124094A1

DE102019124094A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102019124094A1
Application number: DE102019124094.8A
Authority: DE
Inventors: Hideo Nagaosa; Kota Manabe; Yoshihiro Shinozaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2020-05-07
Also published as: US20200144656A1; JP7110920B2; US11626610B2; CN111146470A; CN111146470B; JP2020077502A

Abstract

Ein Brennstoffzellenstapel umfasst: einen ersten Stapel, der Folgendes umfasst: gestapelte erste Einheitszellen; und eine erste äußere Umfangsfläche um eine erste Stapelrichtung der ersten Einheitszellen herum; einen zweiten Stapel, der neben dem ersten Stapel liegt und Folgendes umfasst: zweite Einheitszellen, die entlang der ersten Stapelrichtung der ersten Einheitszellen gestapelt sind; und eine zweite äußere Umfangsfläche um eine zweite Stapelrichtung der zweiten Einheitszellen herum; ein externes Gassammelrohr, das dem ersten und zweiten Stapel ein Reaktionsgas zuführt und aus denselben ablässt; und ein externes Kühlmittelsammelrohr, das dem ersten und zweiten Stapel ein Kühlmittel zuführt und aus denselben ablässt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel.
Hintergrund
Bei einem Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel umfasst, in dem Einheitszellen gestapelt sind, sind interne Sammelrohre zum Zuführen und Ausstoßen eines Anodengases, eines Kathodengases und eines Kühlmittels derart ausgebildet, dass sie den Stapel in einer Stapelrichtung des Stapels durchdringen (siehe, zum Beispiel, die japanische ungeprüfte Offenlegungsschrift JP 2010-241392 A ).
Dabei könnte angesichts des Platzes zum Einbauen des Brennstoffzellenstapels eine Reduzierung der Größe in Stapelrichtung erwünscht sein. Die Reduzierung der Größe in Stapelrichtung wird erzielt, indem die Anzahl an Einheitszellen reduziert wird. Allerdings reduziert die Reduzierung der Anzahl der Einheitszellen die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels. Ferner ist das innere Sammelrohr ausgebildet, den Stapel in Stapelrichtung zu durchdringen und Rohre sind mit dem inneren Sammelrohr des Stapels in Stapelrichtung verbunden. Dadurch könnte es sich als schwierig gestalten, die Größe des Stapels in Stapelrichtung zu reduzieren.
Kurzfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, dessen Größe in einer Stapelrichtung von Einheitszellen reduziert wird, während seine Ausgangsleistung sichergestellt ist.
Die obige Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel gelöst, der Folgendes umfasst: einen ersten Stapel, der Folgendes umfasst: gestapelte erste Einheitszellen; und eine erste äußere Umfangsfläche um eine erste Stapelrichtung der ersten Einheitszellen herum; einen zweiten Stapel, der neben dem ersten Stapel liegt und Folgendes umfasst: zweite Einheitszellen, die entlang der ersten Stapelrichtung der ersten Einheitszellen gestapelt sind; und eine zweite äußere Umfangsfläche um eine zweite Stapelrichtung der zweiten Einheitszellen herum; ein externes Gassammelrohr, das dem ersten und zweiten Stapel ein Reaktionsgas zuführt und aus denselben ablässt; und ein externes Kühlmittelsammelrohr, das dem ersten und zweiten Stapel ein Kühlmittel zuführt und aus denselben ablässt, wobei das externe Gassammelrohr und das externe Kühlmittelsammelrohr mit mindestens einem Teil der ersten äußeren Umfangsfläche und mindestens einem Teil der zweiten äußeren Umfangsfläche verbunden sind und sich entlang einer Kreuzungsrichtung erstrecken, die die erste Stapelrichtung kreuzt.
Die ersten und zweiten Stapel liegen, wie oben beschrieben, nebeneinander, wodurch die Größe in Stapelrichtung reduziert wird, während die Gesamtanzahl der ersten und zweiten Einheitszellen und die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels sichergestellt werden. Ferner sind das externe Gassammelrohr und das externe Kühlmittelsammelrohr mit mindestens einem Teil der ersten und zweiten äußeren Umfangsfläche verbunden und erstrecken sich entlang einer Kreuzungsrichtung, die die Stapelrichtung kreuzt. Dadurch wird die Anordnung des externen Gassammelrohrs und des externen Kühlmittelsammelrohrs, die sich in Stapelrichtung erstrecken, vermieden, sodass die Größe des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung reduziert wird.
Das externe Gassammelrohr kann ein erstes und ein zweites externes Gassammelrohr umfassen, die den ersten und den zweiten Stapel in einer Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen, die die erste Stapelrichtung kreuzt, und in einer Richtung, in der der erste und der zweite Stapel nebeneinanderliegen.
Das externe Kühlmittelsammelrohr kann Folgendes umfassen: einen Kühlmittelzufuhrabschnitt, der das Kühlmittel dem ersten und dem zweiten Stapel zuführt; und einen Kühlmittelablassabschnitt, der das Kühlmittel von dem anderen des ersten und zweiten Stapels ablässt, wobei der Kühlmittelzufuhrabschnitt und der Kühlmittelablassabschnitt den ersten und den zweiten Stapel in einer Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen können, in der der erste und der zweite Stapel nebeneinanderliegen.
Die ersten und zweiten äußeren Umfangsflächen können jeweils erste und zweite zugewandte Regionen umfassen, die einander zugewandt sind, das externe Gassammelrohr und das externe Kühlmittelsammelrohr können mit mindestens anderen Regionen der ersten und zweiten äußeren Umfangsflächen außer den ersten und zweiten zugewandten Regionen verbunden sein, der Brennstoffzellenstapel kann ein Kühlmittelleitungselement umfassen, und das Kühlmittelleitungselement kann die ersten und zweiten zugewandten Regionen voneinander elektrisch isolieren, kann die ersten und zweiten zugewandten Regionen miteinander verbinden und kann das Kühlmittel, das aus dem ersten oder dem zweiten Stapel abgelassen wird, an den anderen des ersten und zweiten Stapels leiten.
Die ersten und zweiten Stapel können jeweils erste und zweite Kühlmitteldurchflussrinnen umfassen, durch die das Kühlmittel fließt, und die ersten und zweiten Kühlmitteldurchflussrinnen können sich in einer Richtung erstrecken, in der der erste und der zweite Stapel nebeneinanderliegen.
Das externe Gassammelrohr kann ein Reaktionsgasleitungsabschnitt umfassen, der das Reaktionsgas, das aus dem ersten oder dem zweiten Stapel abgelassen wurde, zu dem anderen des ersten und zweiten Stapels leitet.
Der Reaktionsgasleitungsabschnitt kann veranlassen, dass das Reaktionsgas zusammenfließt, das aus den Auslässen von Reaktionsgasdurchflussrinnen abgelassen wird, die in dem ersten oder dem zweiten Stapel ausgebildet sind, und kann das Reaktionsgas an Einlässe von Reaktionsgasdurchflussrinnen leiten, die in dem anderen des ersten und zweiten Stapels ausgebildet sind.
Das Reaktionsgas kann ein Anodengas und ein Kathodengas umfassen, das externe Gassammelrohr kann einen Anodengasdurchlassabschnitt und einen Kathodengasdurchlassabschnitt umfassen, durch die das Anodengas und das Kathodengas jeweils strömen, und der Anodengasdurchlassabschnitt und der Kathodengasdurchlassabschnitt können als einzelnes Bauteil ausgebildet sein und können voneinander getrennt sein.
Der Anodengasdurchlassabschnitt kann das Anodengas an den ersten oder den zweiten Stapel zuführen, der sich auf einer Stromaufwärtsseite des Anodengases befindet, das externe Gassammelrohr kann einen Wärmeübertragungsabschnitt umfassen, und der Wärmeübertragungsabschnitt kann einen Wärmeaustausch zwischen dem Anodengas, das durch den Anodengasdurchlassabschnitt strömt, und dem Kathodengas, das durch den Kathodengasdurchlassabschnitt strömt, fördern.
Der Kathodengasdurchlassabschnitt kann das Kathodengas dem ersten oder dem zweiten Stapel zuführen, der sich auf einer Stromaufwärtsseite des Kathodengases befindet, das externe Gassammelrohr kann einen Wärmeübertragungsabschnitt umfassen, und der Wärmeübertragungsabschnitt kann einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas, das durch den Kathodengasdurchlassabschnitt strömt, und dem Anodengas, das durch den Anodengasdurchlassabschnitt strömt, fördern.
Die erste und die zweite Einheitszelle, die zueinander in einer Richtung benachbart sind, in der der erste und der zweite Stapel nebeneinanderliegen, können eine gemeinsame Elektrolytmembran umfassen.
Die erste Einheitszelle kann eine erste Anodenkatalysatorschicht und eine erste Kathodenkatalysatorschicht umfassen, die zweite Einheitszelle kann eine zweite Anodenkatalysatorschicht und eine zweite Kathodenkatalysatorschicht umfassen, die erste Anodenkatalysatorschicht und die zweite Kathodenkatalysatorschicht können voneinander beabstandet sein und können auf einer Oberfläche der gemeinsamen Elektrolytmembran ausgebildet sein, und die zweite Anodenkatalysatorschicht und die erste Kathodenkatalysatorschicht können voneinander beabstandet sein und können auf der anderen Oberfläche der gemeinsamen Elektrolytmembran ausgebildet sein.
Die Kreuzungsrichtung kann eine Richtung sein, in der der erste und der zweite Stapel nebeneinanderliegen.
Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, dessen Größe in einer Stapelrichtung von Einheitszellen reduziert wird, während seine Ausgangsleistung sichergestellt wird.
Figurenliste

1 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels;
2 ist eine externe perspektivische Ansicht von zwei Stapeln, die in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet sind;
3 ist eine Ansicht des Brennstoffzellenstapels in einer -Z-Richtung betrachtet;
4 ist eine externe perspektivische Ansicht, die nur Sammelrohre darstellt, in denen ein Anodengas und ein Kathodengas strömen;
5 ist eine Querschnittsansicht der nebeneinanderliegenden Stapel;
6A ist eine Ansicht, die Kühlmitteldurchflussrinnen darstellt, wenn ein Anodenseparator und ein Kathodenseparator in -Z-Richtung betrachtet werden, und 6B ist eine Ansicht, die Anodendurchflussrinnen und Kathodendurchflussrinnen darstellt, wenn der Anodenseparator und der Kathodenseparator in -Z-Richtung betrachtet werden;
7A ist eine Ansicht, die Kathodendurchflussrinnen und Anodendurchflussrinnen darstellt, wenn ein Kathodenseparator und ein Anodenseparator in -Z-Richtung betrachtet werden, und 7B ist eine Ansicht, die Kühlmitteldurchflussrinnen darstellt, wenn der Kathodenseparator und der Anodenseparator in -Z-Richtung betrachtet werden;
8 ist eine Ansicht, die einen Teil einer Seitenoberfläche des Stapels darstellt;
9A ist eine erläuternde Ansicht eines Anodenseparators und eines Kathodenseparators in einer ersten Abwandlung, und 9B ist eine erläuternde Ansicht eines Kathodenseparators und eines Anodenseparators in der ersten Abwandlung;
10 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Abwandlung; und
11 ist eine Querschnittsansicht von Stapeln eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Abwandlung.

Detaillierte Beschreibung
1 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 1. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist in einem Fahrzeug angebracht. Das Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder dergleichen, allerdings nicht darauf beschränkt, und die Erfindung kann bei verschiedenen anderen beweglichen Körpern als dem Fahrzeug (zum Beispiel Schiffen, Luftfahrzeugen, Roboter, usw.) und bei stationären Leistungsquellen angewendet werden. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst Sammelrohre 10, 20 und 30. 2 ist eine externe perspektivische Ansicht von zwei Stapeln 50 und 60, die in dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgebildet sind. Anders als interne Sammelrohre, die in den Stapeln 50 und 60 ausgebildet sind, sind die Sammelrohre 10, 20 und 30 externe Sammelrohre, die um die Stapel 50 und 60 herum angeordnet sind. 1 und 2 stellen eine X-Richtung, eine Y-Richtung und eine Z-Richtung dar, die rechtwinklig zueinander sind.
Schematische Konfiguration von Stapel 50 und 60
Wie in 2 dargestellt, liegen die Stapel 50 und 60 nebeneinander in Y-Richtung. Das heißt, die Y-Richtung bezeichnet die Richtung, in der die Stapel 50 und 60 nebeneinanderliegen. Die Stapel 50 und 60 haben im Wesentlichen die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds und weisen im Wesentlichen die gleiche Gestalt und Größe auf. Der Stapel 50 umfasst Einheitszellen 52, die in Z-Richtung gestapelt sind. Ebenso umfasst der Stapel 60 Einheitszellen 62, die in Z-Richtung gestapelt sind. Das heißt, die Z-Richtung ist die Stapelrichtung der Einheitszellen 52 und auch die Stapelrichtung der Einheitszellen 62. Den Einheitszellen 52 und 62 wird ein Anodengas (zum Beispiel Wasserstoff) und ein Kathodengas (zum Beispiel Luft) als Reaktionsgase zugeführt, um elektrische Leistung bzw. Strom zu erzeugen. In einer vorliegenden Ausführungsform wird der Brennstoffzellenstapel 1 in einer Position verwendet, in der die Z-Richtung in Lotrichtung verläuft, aber sie ist nicht darauf beschränkt.
Der Stapel 50 umfasst Seitenoberflächen 511 und 514, die eine äußere Umfangsfläche um die Z-Richtung herum bilden. Die Seitenoberflächen 511 und 512 sind im Wesentlichen parallel zu einer YZ-Ebene und sind voneinander in X-Richtung beabstandet. Die Seitenoberflächen 513 und 514 sind im Wesentlichen parallel zu einer XZ-Ebene und sind voneinander in Y-Richtung beabstandet. Ebenso umfasst der Stapel 60 Seitenoberflächen 611 und 614, die eine äußere Umfangsfläche um die Z-Richtung herum bilden. Die Seitenoberflächen 611 und 612 sind im Wesentlichen parallel zu der YZ-Ebene und sind voneinander in X-Richtung beabstandet. Die Seitenoberflächen 613 und 614 sind im Wesentlichen parallel zu der XZ-Ebene und sind voneinander in Y-Richtung beabstandet. Bei den Stapeln 50 und 60 sind die Seitenoberflächen 514 und 613 einander durch die Kühlmittelleitungselemente 80, die später beschrieben werden, zugewandt. Die Seitenoberflächen 514 und 613 sind Beispiele für erste und zweite zugewandte Regionen, die einander zugewandt sind.
Auf diese Weise liegen die Stapel 50 und 60 nebeneinander in Y-Richtung, sodass die Stapelrichtung der Einheitszellen 52 und die Stapelrichtung der Einheitszellen 62 in Z-Richtung parallel liegen. Dies reduziert die Gesamtgröße der Stapel 50 und 60 in Z-Richtung im Vergleich zu einem Fall, bei dem die gesamte Anzahl der Einheitszellen 52 und 62 in Z-Richtung als einzelner Stapel gestapelt sind. Ferner wird eine Gesamtanzahl der Einheitszellen 52 und 62 sichergestellt, sodass die Gesamtausgangsleistung der Stapel 50 und 60 ebenfalls sichergestellt wird.
Schematische Konfiguration von Sammelrohren 10, 20 und 30
3 ist eine Ansicht des Brennstoffzellenstapels 1 in -Z-Richtung betrachtet. In 3 sind die Richtungen, in denen das Anodengas, das Kathodengas und das Kühlmittel strömen bzw. fließen, jeweils mit gestrichelten Pfeilen A, Strichpunktpfeilen C und Strich-Zweistrichlinienpfeilen W gekennzeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Kühlmittel Kühlwasser, aber das Kühlwasser ist nicht auf eine solche Flüssigkeit beschränkt und kann ein Gas sein. 4 ist eine externe perspektivische Ansicht, die nur die Sammelrohre 10 und 20 darstellt, in denen das Anodengas und das Kathodengas strömen.
Das Sammelrohr 10 erstreckt sich entlang der Y-Richtung und ist mit der Seitenoberfläche 511 des Stapels 50 und der Seitenoberfläche 611 des Stapels 60 verbunden. Das Sammelrohr 10 umfasst einen Zufuhrabschnitt 12, einen Leitungsabschnitt 14 und einen Ablassabschnitt 16, die in dieser Reihenfolge in +Y-Richtung angeordnet sind. Eine Einführöffnung 121 ist an einem Ende des Zufuhrabschnitts 12 ausgebildet. Die Einführöffnung 121 ist mit einem Rohr für das Zuführen des Anodengases von einem Brennstofftank zu den Stapeln 50 und 60 verbunden. Eine Ablassöffnung 162 ist an einem Ende des Ablassabschnitts 16 ausgebildet. Die Ablassöffnung 162 ist mit einem Rohr verbunden, an das das Anodengas aus den Stapeln 50 und 60 abgelassen wird.
Das Sammelrohr 20 erstreckt sich entlang der Y-Richtung und ist mit der Seitenoberfläche 512 des Stapels 50 und der Seitenoberfläche 612 des Stapels 60 verbunden. Das Sammelrohr 20 umfasst einen Zufuhrabschnitt 22, einen Leitungsabschnitt 24 und einen Ablassabschnitt 26, die in dieser Reihenfolge in +Y-Richtung angeordnet sind. Eine Einführöffnung 221 ist an einem Ende des Zufuhrabschnitts 22 ausgebildet. Die EinführÖffnung 221 ist mit einem Rohr verbunden, um das Kathodengas, das durch einen Luftverdichter unter Druck gesetzt wird, den Stapeln 50 und 60 zuzuführen. Eine Ablassöffnung 262 ist an einem Ende des Ablassabschnitts 26 ausgebildet. Die Ablassöffnung 262 ist mit einem Rohr verbunden, an das das Kathodengas aus den Stapeln 50 und 60 abgelassen wird.
Das Sammelrohr 30 erstreckt sich in Y-Richtung und umfasst einen Zufuhrabschnitt 32, der mit der Seitenoberfläche 513 des Stapels 50 verbunden ist, und einen Ablassabschnitt 36, der mit der Seitenoberfläche 614 des Stapels 60 verbunden ist. Eine Einführöffnung 321 ist an einem Ende des Zufuhrabschnitts 32 ausgebildet. Die Einführöffnung 321 ist mit einem Rohr für das Zuführen des Kühlmittels an das Sammelrohr 30 verbunden. Eine Ablassöffnung 362 ist an einem Ende des Ablassabschnitts 36 ausgebildet. Die Ablassöffnung 362 ist mit einem Rohr verbunden, um das Kühlmittel, das aus den Stapeln 50 und 60 abgelassen wird, an einen Radiator zuzuführen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in den 3 und 4 dargestellt, das Anodengas von dem Zufuhrabschnitt 12 dem Stapel 50 zugeführt, und das Anodengas, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, wird dem Stapel 60 durch den Leitungsabschnitt 24 des Sammelrohrs 20 zugeführt. Das Anodengas, das aus dem Stapel 60 abgelassen wird, wird an den Ablassabschnitt 16 des Sammelrohrs 10 abgelassen. Der Zufuhrabschnitt 12 und der Ablassabschnitt 16 sind Beispiele für einen Anodengasdurchlassabschnitt, der in dem Sammelrohr 10 ausgebildet ist, durch den das Anodengas strömt. Ferner ist der Leitungsabschnitt 24 ein Beispiel für einen Anodengasdurchlassabschnitt, der in dem Sammelrohr 20 ausgebildet ist, durch den das Anodengas strömt. Auch ist der Leitungsabschnitt 24 ein Beispiel für einen Reaktionsgasleitungsabschnitt für das Leiten des Anodengases, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, an den Stapel 60.
Dagegen wird das Kathodengas von dem Zufuhrabschnitt 22 dem Stapel 50 zugeführt, und das Kathodengas, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, wird dem Stapel 60 durch den Leitungsabschnitt 14 des Sammelrohrs 10 zugeführt. Das Kathodengas, das aus dem Stapel 60 abgelassen wird, wird an den Ablassabschnitt 26 des Sammelrohrs 20 abgelassen. Der Zufuhrabschnitt 22 und der Ablassabschnitt 26 sind Beispiele für einen Kathodengasdurchlassabschnitt, der in dem Sammelrohr 20 ausgebildet ist, durch das eine Kathodengas strömt. Ferner ist der Leitungsabschnitt 14 ein Beispiel für einen Kathodengasdurchlassabschnitt, der in dem Sammelrohr 10 ausgebildet ist, durch das das Kathodengas strömt. Auch ist der Leitungsabschnitt 14 ein Beispiel für einen Reaktionsgasleitungsabschnitt für das Leiten des Kathodengases, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, an den Stapel 60.
Das Kühlmittel wird von dem Zufuhrabschnitt 32 an den Stapel 50 zugeführt und das Kühlmittel, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, wird dem Stapel 60 zugeführt. Das Kühlmittel, das aus dem Stapel 60 abgelassen wird, wird an den Ablassabschnitt 36 abgelassen. Wie oben beschrieben wird das Reaktionsgas den Stapeln 50 und 60 zugeführt, um eine Leistungserzeugungsreaktion zu erzeugen und das Kühlmittel unterbindet, dass die Stapel 50 und 60 erwärmt werden.
Die Sammelrohre 10, 20 und 30 erstrecken sich in einer Richtung, die die Z-Richtung kreuzt, insbesondere in der Y-Richtung wie oben beschrieben. Daher wird die Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in Z-Richtung im Vergleich zu einem Fall reduziert, in dem sich solche Sammelrohre in Z-Richtung erstrecken. Ferner werden die Größen der Stapel 50 und 60 in Z-Richtung reduziert, indem sie in Y-Richtung, wie oben beschrieben, nebeneinanderliegen, und die Sammelrohre 10, 20 und 30 erstrecken sich in Y-Richtung, wodurch die Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in Z-Richtung weiter reduziert wird. Daher ist es zum Beispiel selbst in einem Fall, in dem der Brennstoffzellenstapel 1 in einem engen Raum in Lotrichtung montiert wird, wie zum Beispiel unter einem Fahrzeugboden, leicht, den Brennstoffzellenstapel 1 in einem solchen Raum zu montieren, indem die Z-Richtung des Brennstoffzellenstapels 1 auf die Lotrichtung abgestimmt wird. Zudem ist es einfach, ein Brennstoffzellenfahrzeug herzustellen, das mit dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgestattet ist, indem eine Fahrzeugkarosserie für ein Elektrofahrzeug verwendet wird, bei dem ein Batteriesatz unter dem Fahrzeugboden montiert ist.
Hier sind die Sammelrohre 10, 20 und 30 an Endplatten 97 und 98, die die Stapel 50 und 60 in Z-Richtung einklemmen und später im Detail erläutert werden, durch Befestigungselemente wie Schrauben oder Bolzen befestigt. Die Sammelrohre 10, 20 und 30 sind derart angeordnet, dass sie keine virtuellen Ebenen parallel zu den Endplatten 97 und 98 schneiden, welche voneinander in Z-Richtung beabstandet sind, mit anderen Worten, sie sind zwischen diesen virtuellen Ebenen angeordnet. Selbst mit einer solchen Konfiguration wird die Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in Z-Richtung reduziert.
Wie oben beschrieben erstrecken sich die Sammelrohre 10, 20 und 30 entlang der Y-Richtung, in der Stapel 50 und 60 nebeneinanderliegen. Insbesondere ist jede Längsrichtung der Sammelrohre 10 und 20 die Y-Richtung, und der Zufuhrabschnitt 32 und der Ablassabschnitt 36 des Sammelrohrs 30 sind derart angeordnet, dass sie die Stapel 50 und 60 in Y-Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Daher wird auch die Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in der X-Richtung reduziert. Zum Beispiel in einem Fall, in dem die Brennstoffzellenstapel 1 in einem engen Raum montiert werden, wie beispielsweise unter dem Fahrzeugboden, ist es möglich, mehr Brennstoffzellenstapel 1 zu montieren, indem die Brennstoffzellenstapel 1 zueinander in X-Richtung benachbart angeordnet werden.
Wie in den 1 und 3 dargestellt, erstrecken sich die Zufuhrabschnitte 12, 22 und 32 und die Ablassabschnitte 16, 26 und 36, mit denen die Rohre jeweils verbunden sind, von den Stapeln 50 und 60 entlang der Y-Richtung, nicht der Z-Richtung. Ferner sind Axialrichtungen der Einführöffnungen 121, 221 und 321 und der Ablassöffnungen 162, 262 und 362 im Wesentlichen parallel zu der Y-Richtung. Aus diesem Grund wird verhindert, dass diese Rohre die Stapel 50 und 60 in Z-Richtung überlappen, selbst wenn die Rohre mit diesen Öffnungen verbunden sind. Dies macht es einfach, den Brennstoffzellenstapel 1 in einem engen Raum zu montieren, wie beispielsweise unter dem Fahrzeugboden.
Ferner nehmen die Sammelrohre 10 und 20 die Stapel 50 und 60 in Y-Richtung sandwichartig zwischen sich auf, wodurch die Positionsverschiebung der Einheitszellen 52 und 62 in X-Richtung unterbunden wird. Die Sammelrohre 10 und 20 sind jeweils ein Beispiel für erste und zweite externe Gassammelrohre, die die Stapel 50 und 60 in X-Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen, welche eine Richtung ist, die die Z-Richtung und die Y-Richtung kreuzt. Ferner nehmen der Zufuhrabschnitt 32 und der Ablassabschnitt 36 des Sammelrohrs 30 die Stapel 50 und 60 in der Y-Richtung sandwichartig zwischen sich auf, wodurch die Positionsverschiebung der Einheitszellen 52 und 62 in Y-Richtung unterbunden wird. Wie oben beschrieben, wird die Positionsbeziehung der Einheitszellen 52 und 62 in der X-Richtung und der Y-Richtung durch Sammelrohre 10, 20 und 30 unterbunden, die das Reaktionsgas und das Kühlmittel den Stapeln 50 und 60 zuführen und aus denselben ablassen. Dadurch entfällt der Bedarf an Spezialteilen, um die Positionsverschiebung zu unterbinden, und die Anzahl an Teilen wird reduziert.
Detaillierte Konfiguration von Sammelrohr 10
Wie in 4 dargestellt, ist eine Zufuhröffnung 122, die eine im Wesentlichen rechtwinklige Form aufweist und mit einem Teil der Seitenoberfläche 511 des Stapels 50 verbunden ist, an dem proximalen Ende des Zufuhrabschnitts 12 ausgebildet. Der Zufuhrabschnitt 12 umfasst einen zylindrischen Abschnitt und einen trichterförmigen (fan columnar) Abschnitt. In dem zylindrischen Abschnitt steigt die Strömungsdurchlass-Querschnittsfläche mit Annäherung an den Stapel 50 von der Einführöffnung 121 allmählich an. Der trichterförmigen Abschnitt umfasst eine Öffnung, die mit dem zylindrischen Abschnitt in Verbindung steht, und die Zufuhröffnung 122, die mit der Seitenoberfläche 511 des Stapels 50 verbunden ist. Der trichterförmige Abschnitt definiert einen trichterförmigen Innenraum. Die Strömungsdurchlass-Querschnittsfläche in dem trichterförmigen Abschnitt ist größer als jene in dem zylindrischen Abschnitt.
Der Leitungsabschnitt 14 definiert einen im Wesentlichen halbzylindrischen Innenraum, um das Kathodengas, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, an den Stapel 60 zu leiten. Ein Leitungseinlass 141, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Gestalt aufweist und mit der Seitenoberfläche 511 des Stapels 50 ausgebildet ist, ist an einem Ende des Leitungsabschnitts 14 ausgebildet. Ein Leitungsauslass 142, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Gestalt aufweist und mit der Seitenoberfläche 611 des Stapels 60 ausgebildet ist, ist an dem anderen Ende des Leitungsabschnitts 14 ausgebildet.
Die Gestalt des Ablassabschnitts 16 ist der Gestalt des Zufuhrabschnitts 12 ähnlich und ist bezüglich der XZ-Ebene im Wesentlichen symmetrisch zu der Gestalt des Zufuhrabschnitts 12. Ein Ablassauslass 161, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Gestalt aufweist und mit einem Teil der Seitenoberfläche 611 des Stapels 60 verbunden ist, ist an dem proximalen Ende des Ablassabschnitts 16 ausgebildet. Zudem ist jede Kante der Zufuhröffnung 122, des Leitungseinlasses 141, des Leitungsauslasses 142 und des Ablassauslasses 161 mit einem Dichtungselement ausgebildet, das eine Dichtung und Elastizität aufweist, um eine Leckage des Reaktionsgases zu verhindern.
Detaillierte Konfiguration von Sammelrohr 20
Die Gestalt des Sammelrohrs 20 ist der Gestalt des Sammelrohrs 10 ähnlich und bezüglich der YZ-Ebene im Wesentlichen symmetrisch zu der Gestalt des Sammelrohrs 10. Der Zufuhrabschnitt 22 führt dem Stapel 50 das Kathodengas zu. Die Gestalt des Zufuhrabschnitts 22 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Gestalt des Ablassabschnitts 16. Eine Zufuhröffnung 222, die mit der Seitenoberfläche 512 des Stapels 50 verbunden ist, ist an dem proximalen Ende des Zufuhrabschnitts 22 ausgebildet.
Der Leitungsabschnitt 24 definiert einen im Wesentlichen halbzylindrischen Innenraum, um das Anodengas, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, an den Stapel 60 zu leiten. Ein Leitungseinlass 241, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Gestalt aufweist und mit der Seitenoberfläche 512 des Stapels 50 ausgebildet ist, ist an einem Ende des Leitungsabschnitts 24 ausgebildet. Ein Leitungsauslass 242, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Gestalt aufweist und mit der Seitenoberfläche 612 des Stapels 60 ausgebildet ist, ist an dem anderen Ende des Leitungsabschnitts 24 ausgebildet.
Der Ablassabschnitt 26 lässt das Kathodengas aus dem Stapel 60 ab. Die Gestalt des Ablassabschnitts 26 ist der Gestalt des Zufuhrabschnitts 22 ähnlich, ist bezüglich der XZ-Ebene im Wesentlichen symmetrisch zu der Gestalt des Zufuhrabschnitts 12 und ist im Wesentlichen gleich der Gestalt des Zufuhrabschnitts 12. Ein Ablassauslass 261, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Gestalt aufweist und mit einem Teil der Seitenoberfläche 612 des Stapels 60 verbunden ist, ist an dem proximalen Ende des Ablassabschnitts 26 ausgebildet. Das oben beschriebene Dichtungselement ist an jeder Kante der Zufuhröffnung 222, des Leitungseinlasses 241, des Leitungsauslasses 242 und des Ablassauslasses 261 ausgebildet.
Detaillierte Konfiguration von Sammelrohr 30
Der Zufuhrabschnitt 32 führt das Kühlmittel dem Stapel 50 zu. Der Zufuhrabschnitt 32 weist eine im Wesentlichen zugespitzte, zylindrische Gestalt auf, deren Querschnittsfläche mit Annäherung an den Stapel 50 zunimmt. Eine Zufuhröffnung, die mit der Seitenoberfläche 513 des Stapels 50 verbunden ist, ist an dem proximalen Ende des Zufuhrabschnitts 32 ausgebildet. In dem Ablassabschnitt 36 wird das Kühlmittel aus dem Stapel 60 abgelassen. Die Gestalt des Ablassabschnitts 36 ist der Gestalt des Zufuhrabschnitts 32 ähnlich und ist bezüglich der XZ-Ebene im Wesentlichen symmetrisch zu der Gestalt des Zufuhrabschnitts 32. Eine Ablassöffnung, die mit der Seitenoberfläche 614 des Stapels 60 verbunden ist, ist an dem proximalen Ende des Ablassabschnitts 36 ausgebildet. Das oben beschriebene Dichtungselement ist an jeder Kante der Zufuhröffnung des Zufuhrabschnitts 32 ausgebildet, der mit dem Stapel 50 verbunden ist, und der Ablassöffnung des Ablassabschnitts 36, der mit dem Stapel 60 verbunden ist.
Das gesamte Anodengas und Kathodengas, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, wird jeweils durch die Leitungsabschnitte 24 und 14 dem Stapel 60 zugeführt. Vorliegend, zum Beispiel in einem Fall, in dem das Kathodengas oder das Anodengas an die Stapel 50 und 60 verteilt wird und gleichzeitig denselben zugeführt wird, könnten Maßnahmen zur Unterbindung der Verteilungsverhältnisabweichung erforderlich sein. Die vorliegende Ausführungsform beseitigt solche Maßnahmen und vereinfacht den Aufbau des Brennstoffzellenstapels 1.
Wie in den 1 und 4 dargestellt, sind drei Wärmeübertragungsrippen 23, die in Z-Richtung angeordnet sind, zwischen dem Zufuhrabschnitt 22 und dem Leitungsabschnitt 24 ausgebildet. Ebenso sind Wärmeübertragungsrippen 25 zwischen dem Leitungsabschnitt 24 und dem Ablassabschnitt 26 ausgebildet. Wie in den 3 und 4 dargestellt, sind auch Wärmeübertragungsrippen 13 zwischen dem Zufuhrabschnitt 12 und dem Leitungsabschnitt 14 ausgebildet. Ebenso sind Wärmeübertragungsrippen 15 zwischen dem Leitungsabschnitt 14 und dem Ablassabschnitt 16 ausgebildet. Solche Wärmeübertragungsrippen 23, 25, 13 und 15 fördern eine Wärmeabfuhr von den Stapeln 50 und 60.
Vorliegend strömt, wie oben beschrieben, das dem Stapel 50 zuzuführende Anodengas zu dem Zufuhrabschnitt 12 des Sammelrohrs 10, und das Kathodengas, das von dem Stapel 50 abgelassen wird, strömt zu dem Leitungsabschnitt 14 des Sammelrohrs 10. Vorliegend sind der Zufuhrabschnitt 12 und der Leitungsabschnitt 14 in demselben Sammelrohr 10 ausgebildet und ferner durch die oben beschriebenen Wärmeübertragungsrippen 13 thermisch miteinander verbunden. Dies fördert den Wärmeaustausch zwischen dem Anodengas, das durch den Zufuhrabschnitt 12 strömt, und dem Kathodengas, das durch den Leitungsabschnitt 14 strömt.
Vorliegend ist die Temperatur des Anodengases, das durch den Zufuhrabschnitt 12 strömt, niedrig. Dies rührt daher, dass das Anodengas bei hohem Druck in dem Brennstofftank gespeichert wird und dann adiabatisch expandiert, wenn das Anodengas dem Stapel 50 zugeführt wird. Die Temperatur des Anodengases ist beim Kaltstart niedriger. Aus diesem Grund kann das Anodengas dem Stapel 50 bei einer niedrigeren Temperatur zugeführt werden, als der für die Leistungserzeugung geeigneten Temperatur. Zudem wird das Kathodengas, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird und durch den Leitungsabschnitt 14 strömt, erwärmt, damit sein Volumen steigt, indem es die mit der Leistungserzeugungsreaktion des Stapels 50 assoziierte Wärme erhält. Dies könnte die Zufuhrmenge des Kathodengases an den Stapel 60 reduzieren. Die vorliegende Ausführungsform fördert den Wärmeaustausch zwischen dem Anodengas, das eine niedrige Temperatur aufweist, und dem Kathodengas, das eine hohe Temperatur aufweist. Daher steigt die Temperatur des Anodengases, das dem Stapel 50 zugeführt wird, um die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 50 zu verbessern, und die Temperatur des Kathodengases, das dem Stapel 60 zugeführt wird, sinkt, um ebenfalls die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 60 zu verbessern.
Ferner sind in dem Sammelrohr 10 der Zufuhrabschnitt 12 und der Ablassabschnitt 16, durch die das Anodengas strömt, von dem Leitungsabschnitt 14 getrennt, durch den das Kathodengas strömt, das sich von dem Anodengas unterscheidet. Im Vergleich zu einem Fall, in dem diese getrennt mit den Stapeln 50 und 60 verbunden sind, wird die Verarbeitbarkeit der Verbindung zu den Stapeln 50 und 60 verbessert. Ebenso ist in dem Sammelrohr 20 der Leitungsabschnitt 24, durch den das Anodengas strömt, von dem Zufuhrabschnitt 22 und dem Ablassabschnitt 26, durch die das Kathodengas strömt, getrennt.
Detaillierte Konfiguration von Stapel 50 und 60
5 ist eine Querschnittsansicht der nebeneinanderliegenden Stapel 50 und 60. Die Einheitszelle 52 umfasst eine Elektrolytmembran 53, eine Anodenkatalysatorschicht 54a, eine Anodendiffusionsschicht 55a, einen Anodenseparator 56a, eine Kathodenkatalysatorschicht 54c, eine Kathodendiffusionsschicht 55c und einen Kathodenseparator 56c. Die Anodenkatalysatorschicht 54a und die Kathodenkatalysatorschicht 54c sind jeweils auf einer Seite und der anderen Seite der Elektrolytmembran 53 ausgebildet. Details der Elektrolytmembran 53 werden später beschrieben. Die Anodendiffusionsschicht 55a und die Kathodendiffusionsschicht 55c sind jeweils mit der Anodenkatalysatorschicht 54a und der Kathodenkatalysatorschicht 54c verbunden. Der Anodenseparator 56a und der Kathodenseparator 56c sind jeweils mit der Anodendiffusionsschicht 55a und der Kathodendiffusionsschicht 55c verbunden.
Eine leitfähige Anschlussplatte 91 ist an dem Ende der Einheitszellen 52 in +Z-Richtung positioniert. Eine leitfähige Anschlussplatte 93 ist an dem Ende der Einheitszelle 62 in +Z-Richtung positioniert. Eine leitfähige Zwischenplatte 92 ist an dem Ende der Einheitszelle 52 in -Z-Richtung und an dem Ende der Einheitszelle 62 in -Z-Richtung positioniert. Die Anschlussplatten 91 und 93 weisen im Wesentlichen die gleiche Größe auf. Die Zwischenplatte 92 ist größer als die Anschlussplatten 91 und 93. Ein Isolator 95 zum Isolieren der Anschlussplatten 91 und 93 und der Endplatte 97 voneinander ist dazwischen positioniert. Ebenso ist ein Isolator 96 zwischen der Zwischenplatte 92 und der Endplatte 98 positioniert.
Die Einheitszelle 52, in der der Anodenseparator 56a leitfähig mit der Anschlussplatte 91 verbunden ist, ist leitfähig mit dem Anodenseparator 56a der Einheitszelle 52 (nicht dargestellt) benachbart zu der obigen Einheitszelle 52 verbunden. Die Einheitszelle 52, in der der Kathodenseparator 56c leitfähig mit der Zwischenplatte 92 verbunden ist, ist leitfähig mit dem Kathodenseparator 56c (nicht dargestellt) benachbart zu der obigen Einheitszelle 52 verbunden. Daher sind die Einheitszellen 52 elektrisch zwischen der Anschlussplatte 91 und der Zwischenplatte 92 in Reihe geschaltet.
Ebenso umfasst der Stapel 60 eine Elektrolytmembran 53, eine Anodenkatalysatorschicht 64a, eine Anodendiffusionsschicht 65a, einen Anodenseparator 66a, eine Kathodenkatalysatorschicht 64c, eine Kathodendiffusionsschicht 65c und einen Kathodenseparator 66c. Die Einheitszelle 62, in der der Kathodenseparator 66c leitfähig mit der Anschlussplatte 93 verbunden ist, ist leitfähig mit dem Kathodenseparator 66c (nicht dargestellt) benachbart zu der obigen Einheitszelle 62 verbunden. Die Einheitszelle 62, in der der Anodenseparator 66a leitfähig mit der Zwischenplatte 92 verbunden ist, ist leitfähig mit dem Anodenseparator 66a (nicht dargestellt) benachbart zu der obigen Einheitszelle 62 verbunden. Daher sind die Einheitszellen 62 zwischen der Zwischenplatte 92 und der Anschlussplatte 93 elektrisch in Reihe geschaltet. Entsprechend sind die Einheitszellen 52 und die Einheitszellen 62 zwischen den Anschlussplatten 91 und 93 über die Zwischenplatte 92 elektrisch in Reihe geschaltet.
Die Einheitszellen 52 und 62 teilen sich die Elektrolytmembran 53. Insbesondere sind die Anodenkatalysatorschicht 54a und die Kathodenkatalysatorschicht 64c, die voneinander in Y-Richtung beabstandet sind, auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 53 in +Z-Richtung ausgebildet. Die Kathodenkatalysatorschicht 54c und die Anodenkatalysatorschicht 64a, die voneinander in Y-Richtung beabstandet sind, sind auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 53 in -Z-Richtung ausgebildet. Daher weist die Elektrolytmembran 53 eine im Wesentlichen rechtwinklige Form auf. Eine Längserstreckung der Elektrolytmembran 53 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Gesamtlänge der Länge der Einheitszellen 52 und 62 in Y-Richtung und der Länge des Kühlmittelleitungselements 80 in Y-Richtung. Eine kurze Erstreckung der Elektrolytmembran 53 ist im Wesentlichen dieselbe wie jene der Einheitszellen 52 und 62 in X-Richtung.
Da sich die Einheitszellen 52 und 62 die Elektrolytmembran 53 wie beschrieben teilen, ist es einfach, die Einheitszellen 52 und 62 integral herzustellen. Vorliegend wird im Allgemeinen eine Elektrolytmembran, bei der die Katalysatorschicht auf jeder Oberfläche ausgebildet ist, wie folgt hergestellt. Auf beiden Oberflächen einer langen Elektrolytmembranbahn werden Katalysatorschichten diskontinuierlich in vorgegebenen Intervallen in Längsrichtung der Elektrolytmembranbahn durch Transkription oder dergleichen ausgebildet. Danach wird die Elektrolytmembranbahn in jede Katalysatorschicht aufgeteilt, wodurch die Elektrolytmembran hergestellt wird, bei der die Katalysatorschicht auf jeder Oberfläche ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Elektrolytmembranbahn, auf der die Katalysatorschichten diskontinuierlich auf jeder Oberfläche ausgebildet sind, in jede der zwei Katalysatorschichten aufgeteilt, die benachbart zueinander auf der Oberfläche liegen, wodurch die oben beschriebene Elektrolytmembran 53 hergestellt wird. Auf diese Weise kann die Elektrolytmembran 53 einfach hergestellt werden, indem nur die Aufteilungsposition der Elektrolytmembranbahn verändert wird. Auch wird ein Anstieg der Herstellungskosten unterbunden.
Ferner ist im Allgemeinen die Menge an erzeugtem Wasser, die durch die Leistungserzeugungsreaktion erzeugt wird, auf der Kathodenseite größer als auf der Anodenseite. Aus diesem Grund kann die Elektrolytmembran auf der Anodenseite teilweise getrocknet sein. Bei der Elektrolytmembran 53 in der vorliegenden Ausführungsform sind die Kathodenkatalysatorschicht 64c und die Anodenkatalysatorschicht 54a benachbart zueinander auf derselben Oberfläche. Daher bewegt sich ein Teil des erzeugten Wassers, das auf der Kathodenkatalysatorschicht 64c erzeugt wird, innerhalb der Elektrolytmembran 53 in -Y-Richtung und durchdringt die Anodenkatalysatorschicht 54a. Ebenso bewegt sich ein Teil des erzeugten Wassers, das auf der Kathodenkatalysatorschicht 54c erzeugt wird, innerhalb der Elektrolytmembran 53 in +Y-Richtung und durchdringt die Anodenkatalysatorschicht 64a. Dies unterbindet, dass die Elektrolytmembran 53 auf den Seiten der Anodenkatalysatorschicht 54a und der Anodenkatalysatorschicht 64a trocknet, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz der Einheitszellen 52 und 62 verbessert wird.
Der Anodenseparator 56a und der Kathodenseparator 66c, die zueinander in Y-Richtung benachbart sind, sind durch das Kühlmittelleitungselement 80 miteinander verbunden. Gleiches gilt für den Kathodenseparator 56c und den Anodenseparator 66a, die zueinander in Y-Richtung benachbart sind. Vorliegend ist das Kühlmittelleitungselement 80 aus Gummi mit Isolierung und Elastizität ausgebildet. Daher verhindert das Kühlmittelleitungselement 80 den Kontakt zwischen den Einheitszellen 52 und 62, die zueinander in Y-Richtung benachbart sind, und verhindert einen Kurzschluss. Ferner ist das Kühlmittelleitungselement 80 elastisch verformbar, es ist möglich, die Positionsverschiebung der Separatoren, mit denen das Kühlmittelleitungselement 80 verbunden ist, und einen Unterschied hinsichtlich einer Größenordnung von jedem Element auszugleichen. Ferner sind die Stapel 50 und 60 in der Nähe voneinander angeordnet, während ein solcher Kurzschluss verhindert wird. Dies unterbindet einen Anstieg der Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in Y-Richtung.
Dementsprechend sind die Einheitszellen 52 und 62, die zueinander in Y-Richtung benachbart sind, durch die Elektrolytmembran 53 und das Kühlmittelleitungselement 80 integriert. Die Einheitszellen 52 und 62 stellen eine Berührungsfläche mit den anderen Einheitszellen 52 und 62, die in Z-Richtung gestapelt sind, sicher, wodurch der Reibwiderstand erhöht wird und die Positionsverschiebung in XY-Ebenenrichtung verhindert wird.
Detaillierte Konfiguration von Anodenseparator 56a und Kathodenseparator 66c
6A ist eine Ansicht, die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c darstellt, wenn der Anodenseparator 56a und der Kathodenseparator 66c in -Z-Richtung betrachtet werden. Der Anodenseparator 56a umfasst Kanten 56a1 bis 56a4. Die Kanten 56a1 bis 56a4 entsprechend jeweils den Seitenoberflächen 511 bis 514, die in 2 dargestellt sind. Ebenso umfasst der Kathodenseparator 66c Kanten 66c1 bis 66c4, die jeweils den Seitenoberflächen 611 bis 614 entsprechen.
Die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c sind auf jeweiligen Oberflächen auf der +Z-Richtungsseite des Anodenseparators 56a und des Kathodenseparators 66c ausgebildet. Die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c erstrecken sich im Wesentlichen linear in Y-Richtung. Einlässe 58ai und Auslässe 58ao der Kühlmitteldurchflussrinnen 58a sind derart ausgebildet, dass sie sich jeweils an den Kanten 56a3 und 56a4 öffnen. Ebenso sind Einlässe 68ci und Auslässe 68co der Kühlmitteldurchflussrinnen 68c derart ausgebildet, dass sie sich jeweils an den Kanten 66c3 und 66c4 öffnen. Die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c weisen die gleiche Größe und Gestalt auf. Da sich die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c im Wesentlichen linear erstrecken, wird der Druckverlust des Kühlmittels, das durch die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c strömt, unterbunden. Daher wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels sichergestellt und die Einheitszellen 52 und 62 werden effizient gekühlt.
Die Kante 56a4 des Anodenseparators 56a und die Kante 66c3 des Kathodenseparators 66c sind durch das Kühlmittelleitungselement 80 verbunden. Bezüglich des Kühlmittelleitungselements 80 ist die Längsrichtung die X-Richtung, und die Dicke in Z-Richtung ist derart ausgebildet, dass sie ähnlich oder etwas größer ist als jene des Anodenseparators 56a und dergleichen. Das Kühlmittelleitungselement 80 verhindert, dass das Kühlmittel zwischen dem Anodenseparator 56a und dem Kathodenseparator 66c auf die Seite der Elektrolytmembran 53 leckt und leitet das Kühlmittel von der Kühlmitteldurchflussrinne 58a zu der Kühlmitteldurchflussrinne 68c. Das Kühlmittelleitungselement 80 ist mit Rinnen ausgebildet, die sich fortlaufend an die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c anschließen, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Da das Kühlmittelleitungselement 80 zwei Funktionen hat, nämlich das Kühlmittel von der Einheitszelle 52 zu der Einheitszelle 62 zu leiten und den Kurzschluss zwischen den Einheitszellen 52 und 62 zu verhindern, wird die Anzahl an Teilen reduziert.
6B ist eine Ansicht, die die Anodendurchflussrinnen 57a und Kathodendurchflussrinnen 67c darstellt, wenn der Anodenseparator 56a und der Kathodenseparator 66c in -Z-Richtung betrachtet werden. Die Anodendurchflussrinne 57a und die Kathodendurchflussrinne 67c sind auf jeweiligen Oberflächen auf der -Z-Richtungsseite des Anodenseparators 56a und des Kathodenseparators 66c ausgebildet. Die Anodendurchflussrinne 57a und die Kathodendurchflussrinne 67c sind auf der Rückseite des Anodenseparators 56a und des Kathodenseparators 66c ausgebildet, sodass die Anodendurchflussrinne 57a und die Kathodendurchflussrinne 67c in 6B mit Strichlinien dargestellt sind. Obwohl die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 68c auf der Vorderseite tatsächlich sichtbar sind, wird ferner auf eine Darstellung derselben in 6B verzichtet, um das Verständnis der Anodendurchflussrinnen 57a und der Kathodendurchflussrinnen 67c zu erleichtern.
Einlässe 57ai der Anodendurchflussrinnen 57a sind derart ausgebildet, dass sie sich an einer Position der Kante 56a1 öffnen, die näher an der Kante 56a3 liegt als die Kante 56a4. Auslässe 57ao der Anodendurchflussrinnen 57a sind derart ausgebildet, dass sie sich an einer Position der Kante 56a2 öffnen, die näher an der Kante 56a4 liegt als die Kante 56a3. Die Einlässe 57ai sind an einer Position ausgebildet, die von der in 4 dargestellten Zufuhröffnung 122 umgeben ist. Die Auslasse 57ao sind an einer Position ausgebildet, die von dem Leitungseinlass 241 umgeben ist. Die Anodendurchflussrinnen 57a erstrecken sich von den Einlässen 57ai in -X-Richtung, krümmen sich um die Kante 56a2 herum und erstrecken sich in +X-Richtung, und krümmen sich um die Kante 56a1 und erstrecken sich zu der Kante 56a2 in -X-Richtung. Die Gestalt der Anodendurchflussrinnen 57a ist eine sogenannte schlangenförmige bzw. gewundene Gestalt.
Die Kathodendurchflussrinnen 67c weisen ebenfalls die gleiche schlangenförmige Form auf wie die Anodendurchflussrinnen 57a. Einlässe 67ci und Auslässe 67co der Kathodendurchflussrinnen 67c sind jeweils an den Kanten 66cl und 66c2 ausgebildet. Die Einlässe 67ci und die Auslässe 67co sind jeweils von dem Leitungsauslass 142 und dem Ablassauslass 161 umgeben, die in 4 dargestellt sind. Wie oben beschrieben weisen der Anodenseparator 56a und der Kathodenseparator 66c die gleiche Gestalt und Größe auf. Auf diese Weise werden gemeinsame Teile genutzt, wodurch ein Anstieg der Herstellungskosten unterbunden wird.
Detaillierte Konfiguration von Kathodenseparator 56c und Anodenseparator 66a
7A ist eine Ansicht, die die Kathodendurchflussrinnen 57c und Anodendurchflussrinnen 67a darstellt, wenn der Kathodenseparator 56c und der Anodenseparator 66a in -Z-Richtung betrachtet werden. Der Kathodenseparator 56c umfasst Kanten 56c1 bis 56c4, die jeweils den in 2 dargestellten Seitenoberflächen 511 bis 514 entsprechen. Ebenso umfasst der Anodenseparator 66a Kanten 66a1 bis 66a4, die jeweils den in 1 dargestellten Seitenoberflächen 611 bis 614 entsprechen.
Die Kathodendurchflussrinnen 57c und die Anodendurchflussrinnen 67a sind auf jeweiligen Oberflächen auf der +Z-Richtungsseite des Kathodenseparators 56c und des Anodenseparators 66a ausgebildet. Jede Gestalt der Kathodendurchflussrinnen 57c und der Anodendurchflussrinnen 67a ist ebenfalls schlangenförmig. Einlässe 57ci und Auslässe 57co der Kathodendurchflussrinnen 57c sind derart ausgebildet, dass sie sich jeweils an den Kanten 56c2 und 56c1 öffnen. Einlässe 67ai und Auslässe 67ao der Anodendurchflussrinnen 67a sind derart ausgebildet, dass sie sich jeweils an den Kanten 66a2 und 66a1 öffnen. Die Einlässe 57ci und die Auslässe 57co sind jeweils von der ZufuhrÖffnung 222 und dem Leitungseinlass 141 umgeben, die in 4 dargestellt sind. Die Einlässe 67ai und die Auslässe 67ao sind jeweils von dem Leitungsauslass 242 und dem Ablassauslass 161 umgeben, die in 4 dargestellt sind.
7B ist eine Ansicht, die Kühlmitteldurchflussrinnen 58c und 68a darstellt, wenn der Anodenseparator 56c und der Kathodenseparator 66a in -Z-Richtung betrachtet werden. In 7B sind die Kathodendurchflussrinnen 57c und die Anodendurchflussrinnen 67a ursprünglich auf der Vorderseite sichtbar. Um allerdings das Verständnis der Kühlmitteldurchflussrinnen 58c und 68a zu erleichtern, wird auf die Darstellung der Kathodendurchflussrinne 57c und der Anodendurchflussrinne 67a verzichtet.
Einlässe 58ci und Auslässe 58co der Kühlmitteldurchflussrinnen 58c sind jeweils an den Kanten 56c3 und 56c4 ausgebildet. Einlässe 68ai und Auslässe 68ao der Kühlmitteldurchflussrinnen 68a sind jeweils an den Kanten 66a3 und 66a4 ausgebildet. Die Kanten 56c4 und 66a3 sind durch das Kühlmittelleitungselement 80 verbunden und das Kühlmittel wird von den Kühlmitteldurchflussrinnen 58c zu den Kühlmitteldurchflussrinnen 68a geleitet, während unterbunden wird, dass das Kühlmittel in Richtung der Elektrolytmembran 53 leckt. Vorliegend erstrecken sich die Kühlmitteldurchflussrinnen 58c und 68a ebenfalls linear, wodurch ein Anstieg des Druckverlusts des Kühlmittels unterbunden wird. Ferner weisen der Kathodenseparator 56c und der Anodenseparator 66a dieselbe Gestalt und Größe auf, sodass ein Anstieg der Herstellungskosten unterbunden wird.
Wie in 6A und 7B dargestellt, weisen die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a, 58c, 68a und 68c die gleiche Gestalt auf. Ferner, wenn die Anodendurchflussrinnen 57a und die Kathodendurchflussrinnen 67c, die in 6B dargestellt sind, vorne und hinten umgekehrt werden, weisen die Anodendurchflussrinnen 57a und die Kathodendurchflussrinnen 67c die gleiche Gestalt auf, wie die Kathodendurchflussrinne 57c und die Anodendurchflussrinne 67a, die in 7A dargestellt sind. Das heißt, der Anodenseparator 56a, der Kathodenseparator 56c, der Anodenseparator 66a und der Kathodenseparator 66c weisen die gleiche Gestalt und Größe auf. Daher werden mehr gemeinsame Teile verwendet, wodurch ein Anstieg der Herstellungskosten unterbunden wird.
Ferner wird, wie in den 1, 2, 6A und 7B dargestellt, das Kühlmittel dem Stapel 50 in +Y-Richtung zugeführt und strömt durch die Stapel 50 und 60 in +Y-Richtung. Auf diese Weise fließt das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 1. Dies unterbindet einen Anstieg des Druckverlusts des Kühlmittels aufgrund der Strömung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel 1, sodass selbst eine Pumpe mit niedriger Leistung für das Zuführen des Kühlmittels an den Brennstoffzellenstapel 1 verwendbar ist. Ferner wird das Kühlmittel im Wesentlichen gleichzeitig von dem Zufuhrabschnitt 32 des Sammelrohrs 30 an die Einlässe 58ai und 58ci aller Kühlmitteldurchflussrinnen 58a und 58c zugeführt, wodurch die Variation der Temperaturverteilung bei jeder Einheitszelle 52 unterbunden wird. Dies verbessert die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 50.
Wie in 6A und 7B dargestellt, erstrecken sich alle Kühlmitteldurchflussrinnen 58a, 58c, 68a und 68c auf eine im Wesentlichen lineare Weise, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel wenn die Einlässe 58ai und die Auslässe 58ao der Kühlmitteldurchflussrinnen 58a nur jeweils an den Kanten 56a3 und 56a4 ausgebildet sind, und wenn sich die Kühlmitteldurchflussrinnen 58a nur entlang der +Y-Richtung erstrecken, kann mindestens ein Teil gewellt, gekrümmt oder bezüglich der +Y-Richtung geneigt sein. Gleiches gilt für die anderen Kühlmitteldurchflussrinnen 58c, 68a und 68c.
Funktion von Zufuhrabschnitt 22
8 ist eine Ansicht, die einen Teil der Seitenoberfläche 512 des Stapels 50 darstellt. Um das Verständnis zu erleichtern, stellt 8 die Elektrolytmembran 53, die Anodenkatalysatorschicht 54a, die Kathodenkatalysatorschicht 54c, die Anodendiffusionsschicht 55a und die Kathodendiffusionsschicht 55c von jeder Einheitszelle 52 als Membranelektrodengasdiffusionsschichtanordnung (MEGA) 52M dar. In 8 werden die Zufuhröffnung 222 des Zufuhrabschnitts 22 und der Leitungseinlass 241 des Leitungsabschnitts 24 mit Strichlinien dargestellt. Wie oben beschrieben, sind die Einlässe 57ci der Kathodendurchflussrinnen 57c aller Einheitszellen 52 durch die Zufuhröffnung 222 umgeben. Mit anderen Worten, die Querschnittsfläche der ZufuhrÖffnung 222 ist größer als die Summe der Querschnittsflächen aller Einlässe 57ci. Daher wird der Druck des Kathodengases, das jeder Kathodendurchflussrinne 57c zugeführt wird, im Wesentlichen angeglichen, sodass die Strömungsgeschwindigkeit des Kathodengases für jede Kathodendurchflussrinne 57c im Wesentlichen angeglichen wird. So ist es möglich, die Abweichung der Leistungserzeugungsverteilung in der Einheitszelle 52 zu unterbinden und die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 50 zu verbessern.
Funktion von Leitungsabschnitt 24
Ferner sind die Auslässe 57ao der Anodendurchflussrinnen 57a aller Einheitszellen 52 von dem Leitungseinlass 241 umgeben, und die Querschnittsfläche des Leitungseinlasses 241 des Leitungsabschnitts 24 ist größer als die Summe der Querschnittsflächen aller Auslässe 57ao. Obwohl nicht in 8 dargestellt, ist ebenso die Querschnittsfläche des Leitungsauslasses 242 größer als die Summe der Querschnittsflächen der Einlässe 67ai der Einheitszelle 62. Daher veranlasst der Leitungsabschnitt 24, dass das Anodengas, das aus den Auslässen 57ao aller Einheitszellen 52 abgelassen wird, zusammenströmt und dass es den Einlässen 67ai der Einheitszellen 62 zugeführt wird. Daher wird der Druck des Anodengases, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, in jeder Anodendurchflussrinne 67a im Wesentlichen gleich eingestellt und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodengases wird in jeder Anodendurchflussrinne 67a im Wesentlichen gleich eingestellt. Dies verbessert die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 60.
Vorliegend wird der Druck des Anodengases, das aus den Auslässen 57ao der Anodendurchflussrinne 57a der Einheitszellen 52 abgelassen wird, in dem Leitungsabschnitt 24 herabgesetzt. Dies rührt daher, dass das Volumen des Leitungsabschnitts 24 größer ist als die Summe der Volumen aller Anodendurchflussrinnen 57a. Aus diesem Grund wird zum Beispiel der Druck von flüssigem Wasser, das aus dem Auslass 57ao in den Leitungsabschnitt 24 abgelassen wird, darin herabgesetzt, sodass gefördert wird, dass das flüssige Wasser darin zu Wasserdampf wird. Es ist daher möglich, das Anodengas, das den Wasserdampf enthält, dem Stapel 60 zuzuführen und den nassen Zustand der Einheitszellen 62 sicherzustellen. Dies verbessert die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 60.
Funktion von Zufuhrabschnitt 12 und Leitungsabschnitt 14
Ebenso ist die Querschnittsfläche der Zufuhröffnung 122 des Zufuhrabschnitts 12 größer als die Summe der Querschnittsflächen der Einlässe 57ai der Anodendurchflussrinnen 57a aller Einheitszellen 52. Daher wird die Strömungsgeschwindigkeit des Anodengases im Wesentlichen in jeder Anodendurchflussrinne 57a gleich gemacht, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 50 verbessert wird. Zudem ist die Querschnittsfläche des Leitungseinlasses 141 größer als die Summe der Querschnittsflächen der Auslässe 57co der Kathodendurchflussrinnen 57c aller Einheitszellen 52, und die Querschnittsfläche des Leitungsauslasses 142 ist größer als die Summe der Einlässe 67ci der Kathodendurchflussrinnen 67c aller Einheitszellen 62. Daher veranlasst der Leitungsabschnitt 14, dass das Kathodengas, das aus den Auslässen 57co der Kathodendurchflussrinnen 57c aller Einheitszellen 52 abgelassen wird, zusammenströmt, und dass es den Einlässen 67ci der Einheitszellen 62 zugeführt wird. Daher wird der Druck des Kathodengases, das aus dem Stapel 50 abgelassen wird, gleich gemacht und dem Stapel 60 zugeführt, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 60 verbessert wird.
Der Druck des Kathodengases, das aus den Auslässen 57co der Kathodendurchflussrinnen 57c abgelassen wird, wird in dem Leitungsabschnitt 14 herabgesetzt. Daher wird gefördert, dass flüssiges Wasser, das aus dem Auslass 57co der Kathodendurchflussrinne 57c abgelassen wird, in dem Leitungsabschnitt 14 zu Wasserdampf wird, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz des Stapels 60 verbessert wird. Ferner könnte das flüssige Wasser in den Leitungsabschnitten 14 und 24 gespeichert werden, sodass, zum Beispiel, ein Auslassventil oder dergleichen zum Ablassen des flüssigen Wassers aus den Leitungsabschnitten 14 und 24 darin ausgebildet sein kann.
In der obigen Ausführungsform ist die Stapelrichtung der Einheitszellen 52 und die Stapelrichtung der Einheitszellen 62 gleich der Z-Richtung, aber diese müssen nicht notwendigerweise miteinander übereinstimmen. Zum Beispiel können die Einheitszellen 62 entlang der Stapelrichtung der Einheitszellen 52 unter Berücksichtigung von bei der Herstellung auftretenden Maßfehlern und dergleichen gestapelt werden. In der obigen Ausführungsform weisen die Einheitszellen 52 und 62 die gleiche Gestalt und Größe auf, aber sie ist nicht darauf beschränkt. Die Elektrolytmembran 53 wird von den Einheitszellen 52 und 62 in der obigen Ausführungsform gemeinsam genutzt bzw. geteilt, aber sie ist nicht darauf beschränkt, und es können voneinander individuell getrennte Elektrolytmembranen verwendet werden. Ferner ist die Anzahl der Einheitszellen 52 die gleiche wie die Anzahl der Einheitszellen 62, aber sie ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel wenn die Anzahl der Einheitszellen 52 größer ist als die Anzahl der Einheitszellen 62, und der Stapel 50 höher ist als der Stapel 60 in Stapelrichtung, kann, zum Beispiel, die Anschlussplatte 93, die mit dem Stapel 60 verbunden ist, dicker sein als die Anschlussplatte 91, die mit dem Stapel 50 verbunden ist, um die Höhendifferenz auszugleichen. In der obigen Ausführungsform erstrecken sich die Sammelrohre 10, 20 und 30 entlang der Y-Richtung, wodurch die Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in X-Richtung reduziert wird, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann sich mindestens einer der Zufuhrabschnitte 12 und 22 oder der Ablassabschnitte 16 und 26 der Sammelrohre 10 und 20 entlang der X-Richtung erstrecken. Selbst in diesem Fall wird die Größe des Brennstoffzellenstapels 1 in der Z-Richtung reduziert. Mindestens eine der Strömungsrichtungen des Anodengases, des Kathodengases und des Kühlmittels kann umgekehrt werden.
Erste Abwandlung
Als nächstes werden Abwandlungen beschrieben. Zudem bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Bestandteile und auf eine zweite Erläuterung wird verzichtet. 9A ist eine erläuternde Ansicht eines Anodenseparators 56aA und eines Kathodenseparators 66cA in einer ersten Abwandlung. 9B ist eine erläuternde Ansicht eines Kathodenseparators 56cA und eines Anodenseparators 66aA in der ersten Abwandlung. 9A und 9B entsprechen jeweils den 6B und 7A. Sowohl die Einlässe 57ai als auch die Auslässe 57ao von Anodendurchflussrinnen 57aA sind an der Kante 56a1 ausgebildet. Sowohl die Einlässe 67ci als auch die Auslässe 67co von Kathodendurchflussrinnen 67cA sind an der Kante 66c2 ausgebildet. Sowohl die Einlässe 57ci als auch die Auslässe 57co von Kathodendurchflussrinnen 57cA sind an der Kante 56c2 ausgebildet. Sowohl die Einlässe 67ai als auch die Auslässe 67ao von Anodendurchflussrinnen 67aA sind an der Kante 66a1 ausgebildet.
Daher strömt in der ersten Abwandlung, anders als bei der oben beschriebenen Ausführungsform, das Anodengas von dem Zufuhrabschnitt 12 durch die Anodendurchflussrinnen 57aA zu dem Leitungsabschnitt 14 und strömt von dem Leitungsabschnitt 14 durch die Anodendurchflussrinnen 67aA zu dem Ablassabschnitt 16. Das Kathodengas strömt von dem Zufuhrabschnitt 22 durch die Kathodendurchflussrinne 57cA zu dem Leitungsabschnitt 24 und strömt von dem Leitungsabschnitt 24 durch die Kathodendurchflussrinne 67cA zu dem Ablassabschnitt 26. Bei einer solchen Konfiguration strömt auch das Anodengas, das aus den Anodendurchflussrinnen 57aA abgelassen wird, in dem Leitungsabschnitt 14 zusammen und wird einheitlich den Anodendurchflussrinnen 67aA zugeführt. Ferner fördert die Druckverminderung des Anodengases, das von den Anodendurchflussrinnen 57aA in den Leitungsabschnitt 14 abgelassen wird, die Verdampfung des flüssigen Wassers, das aus der Anodendurchflussrinne 57aA in den Leitungsabschnitt 14 abgelassen wird, sodass das Anodengas in einem guten, nassen Zustand den Anodendurchflussrinnen 67aA zugeführt wird. Ebenso strömt das Kathodengas, das aus den Kathodendurchflussrinnen 57cA abgelassen wird, in dem Leitungsabschnitt 24 zusammen und wird einheitlich den Kathodendurchflussrinnen 67cA zugeführt. Ferner fördert die Druckverminderung des Kathodengases, das von der Kathodendurchflussrinne 57cA in den Leitungsabschnitt 24 abgelassen wird, die Verdampfung des flüssigen Wassers, das aus der Kathodendurchflussrinne 57cA in den Leitungsabschnitt 24 abgelassen wird, sodass das Kathodengas in einem guten, nassen Zustand den Kathodendurchflussrinnen 67cA zugeführt wird.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, ein Variieren der Pfade, in denen das Anodengas und das Kathodengas strömt, zu erleichtern, indem jene Separatoren verwendet werden, deren Strömungsrinnen für das Reaktionsgas unterschiedliche Gestalten aufweisen. Ferner können Separatoren mit Strömungsrinnen für Reaktionsgase derart ausgebildet sein, dass das Anodengas dem Zufuhrabschnitt 12, dem Stapel 50, dem Leitungsabschnitt 14, dem Stapel 60 und dem Ablassabschnitt 26, die oben beschrieben wurden, in dieser Reihenfolge zuströmt, und dass das Kathodengas dem Zufuhrabschnitt 22, dem Stapel 50, dem Leitungsabschnitt 24, dem Stapel 60 und dem Ablassabschnitt 16 in dieser Reihenfolge zuströmt. Ferner kann das Anodengas dem Zufuhrabschnitt 12, dem Stapel 50, dem Leitungsabschnitt 24, dem Stapel 60 und dem Ablassabschnitt 26 in dieser Reihenfolge zuströmen. Das Kathodengas kann dem Zufuhrabschnitt 22, dem Stapel 50, dem Leitungsabschnitt 14, dem Stapel 60 und dem Ablassabschnitt 16 in dieser Reihenfolge zuströmen. Ferner kann in der obigen Abwandlung mindestens eine der Strömungsrichtungen des Anodengases, des Kathodengases und des Kühlmittels umgekehrt werden.
Zweite Abwandlung
10 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 1A gemäß einer zweiten Abwandlung. Der Brennstoffzellenstapel 1A ist länger als der oben beschriebene Brennstoffzellenstapel 1 in Y-Richtung. Ferner ist in einem Sammelrohr 10A ein Leitungsabschnitt 14A zwischen dem Leitungsabschnitt 14 und dem Ablassabschnitt 16 ausgebildet. In einem Sammelrohr 20A ist ein Leitungsabschnitt 24A zwischen dem Leitungsabschnitt 24 und dem Ablassabschnitt 26 ausgebildet. Die Gestalt und die Größe der Leitungsabschnitte 14A und 24A ist jeweils gleich jenen der Leitungsabschnitte 14 und 24. In dem Brennstoffzellenstapel 1A ist ein Stapel 70 zusätzlich zu den Stapeln 50 und 60 parallel in Y-Richtung angeordnet, was später erläutert wird. Der Ablassabschnitt 36 des Sammelrohrs 30 ist mit dem Stapel 70 verbunden und der Stapel 60 ist sandwichartig zwischen dem Zufuhrabschnitt 32 und dem Ablassabschnitt 36 über die Stapel 50 und 70 in Y-Richtung aufgenommen.
Das Anodengas strömt dem Zufuhrabschnitt 12, dem Stapel 50, dem Leitungsabschnitt 24, dem Stapel 60, dem Leitungsabschnitt 14A, dem Stapel 70, die später beschrieben werden, und dem Ablassabschnitt 26 in dieser Reihenfolge zu. Das Kathodengas strömt dem Zufuhrabschnitt 22, dem Stapel 50, dem Leitungsabschnitt 14, dem Stapel 60, dem Leitungsabschnitt 24A, dem Stapel 70 und dem Ablassabschnitt 16 in dieser Reihenfolge zu. Das Kühlmittel strömt dem Zufuhrabschnitt 32, den Stapeln 50, 60 und 70 und dem Ablassabschnitt 36 in dieser Reihenfolge zu. Wärmeübertragungsrippen 23A sind zwischen den Leitungsabschnitten 24 und 24A ausgebildet. Ebenso sind Wärmeübertragungsrippen, in 10 nicht dargestellt, zwischen den Leitungsabschnitten 14 und 14A ausgebildet.
Auch hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels 1A gemäß der zweiten Abwandlung erstrecken sich die Sammelrohre 10A und 20A entlang der Y-Richtung auf die obige Art und Weise, wodurch die Größe des Brennstoffzellenstapels 1A in Z-Richtung und X-Richtung reduziert wird, wie der Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die oben beschrieben wurde.
11 ist eine Querschnittsansicht der Stapel 50, 60 und 70 des Brennstoffzellenstapels 1A gemäß der zweiten Abwandlung. In der zweiten Abwandlung ist zusätzlich zu den Stapeln 50 und 60 der Stapel 70 ausgebildet, der neben dem Stapel 60 in +Y-Richtung liegt. Der Stapel 70 besteht aus gestapelten Einheitszellen 72. Die Einheitszelle 72 umfasst eine Elektrolytmembran 53A, eine Anodenkatalysatorschicht 74a, eine Anodendiffusionsschicht 75a, einen Anodenseparator 76a, eine Kathodenkatalysatorschicht 74c, eine Kathodendiffusionsschicht 75c und einen Kathodenseparator 76c. In der zweiten Abwandlung wird die Elektrolytmembran 53A von den Einheitszellen 52, 62 und 72 geteilt. Die Elektrolytmembran 53A weist eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Eine Längserstreckung der Elektrolytmembran 53A ist im Wesentlichen die gleiche wie die Gesamtlänge der Längen der Einheitszellen 52, 62 und 72 in Y-Richtung und der Längen der zwei Kühlmittelleitungselemente 80 in Y-Richtung. Eine kurze Erstreckung der Elektrolytmembran 53A ist im Wesentlichen dieselbe wie jede Länge der Einheitszellen 52, 62 und 72 in X-Richtung. Gleiches gilt für die Endplatten 971 und 981, die die Stapel 50, 60 und 70 in Z-Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen, und für die Isolatoren 951 und 961, die die Stapel 50, 60 und 70 in Z-Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Der Isolator 951 ist zwischen der Anschlussplatte 91 und einer Zwischenplatte 931 und der Endplatte 971 positioniert. Der Isolator 961 ist zwischen einer Zwischenplatte 92 und einer Anschlussplatte 921 und der Endplatte 981 positioniert.
Die Anodenkatalysatorschicht 74a, die Anodendiffusionsschicht 75a, der Anodenseparator 76a, die Kathodenkatalysatorschicht 74c, die Kathodendiffusionsschicht 75c und der Kathodenseparator 76c der Einheitszelle 72 sind jeweils benachbart zu der Kathodenkatalysatorschicht 64c, der Kathodendiffusionsschicht 65c, dem Kathodenseparator 66c, der Anodenkatalysatorschicht 64a, der Anodendiffusionsschicht 65a und dem Anodenseparator 66a der Einheitszelle 62 in Y-Richtung. Ferner sind der Anodenseparator 76a und der Kathodenseparator 66c, die zueinander in Y-Richtung benachbart sind, durch das Kühlmittelleitungselement 80 miteinander verbunden. Der Kathodenseparator 76c und der Anodenseparator 66a, die zueinander in Y-Richtung benachbart sind, sind auch durch das Kühlmittelleitungselement 80 miteinander verbunden.
Die Zwischenplatte 931 ist leitfähig mit dem Kathodenseparator 66c der Einheitszelle 62 verbunden, die an dem Ende des Stapels 60 in +Z-Richtung angeordnet ist, und dem Anodenseparator 76a der Einheitszelle 72, die an dem Ende des Stapels 70 in +Z-Richtung positioniert ist. Die Zwischenplatte 931 ist von der Anschlussplatte 91 beabstandet. Ferner ist die Anschlussplatte 921 leitfähig mit dem Kathodenseparator 76c der Einheitszelle 72 verbunden, die an dem Ende des Stapels 70 in -Z-Richtung positioniert ist. Die Anschlussplatte 921 ist von der Zwischenplatte 92 beabstandet.
Die Einheitszellen 52 sind zwischen der Anschlussplatte 91 und der Zwischenplatte 92 in Reihe geschaltet. Die Einheitszellen 62 sind zwischen den Zwischenplatten 92 und 931 in Reihe geschaltet. Die Einheitszellen 72 sind zwischen der Zwischenplatte 931 und der Anschlussplatte 921 in Reihe geschaltet. Daher wird die Gesamtanzahl der Einheitszellen 52, 62 und 72 sichergestellt und die Gesamtausgangsspannung der Stapel 50, 60 und 70 wird ebenfalls sichergestellt. Auf diese Weise stellt der Brennstoffzellenstapel 1A die Ausgangsleistung sicher und seine Größe wird in Z-Richtung reduziert. Ferner wird die Elektrolytmembran 53A der Einheitszellen 72 ebenfalls von den Einheitszellen 52 und 62 geteilt, wodurch ein Anstieg der Herstellungskosten unterbunden wird.
Auch in der zweiten Abwandlung kann mindestens eine der Strömungsrichtungen des Kathodengases, des Anodengases und des Kühlmittels umgekehrt werden. In der zweiten Abwandlung weisen die Einheitszellen 52, 62 und 72 die gleiche Gestalt und Größe auf, aber sie sind nicht darauf beschränkt. In der zweiten Abwandlung wird die Elektrolytmembran 53A von den Einheitszellen 52, 62 und 72 geteilt, aber sie ist nicht darauf beschränkt, und es können voneinander individuell getrennte Elektrolytmembranen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Elektrolytmembran von den Einheitszellen 52 und 62, die zueinander benachbart sind, geteilt werden, und eine Elektrolytmembran der Einheitszelle 72 kann von den Einheitszellen 52 und 62 nicht geteilt werden. Eine Elektrolytmembran kann von den Einheitszellen 62 und 72, die zueinander benachbart sind, geteilt werden, und eine Elektrolytmembran der Einheitszelle 52 kann von den Einheitszellen 62 und 72 nicht geteilt werden. Ferner ist jede Anzahl der Einheitszellen 52, 62 und 72 gleich, aber sie ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann jede Anzahl der Einheitszellen 52 und 62 gleich sein, die Anzahl der Einheitszellen 72 kann größer sein als jede Anzahl der Einheitszellen 52 und 62 und der Stapel 70 kann höher sein als jeder der Stapel 50 und 60 in Stapelrichtung. In diesem Fall kann zum Beispiel die Zwischenplatte 92, die mit den Stapeln 50 und 60 verbunden ist, dicker sein als die Anschlussplatte 921, die mit dem Stapel 70 verbunden ist, um die Höhendifferenz auszugleichen.
Obwohl manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie beansprucht abgewandelt oder abgeändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010241392 A [0002]

Claims

Brennstoffzellenstapel (1, 1A), der Folgendes aufweist: einen ersten Stapel (50), der Folgendes umfasst: gestapelte erste Einheitszellen (52); und eine erste äußere Umfangsfläche (511, 512, 513, 514) um eine erste Stapelrichtung der ersten Einheitszellen (52) herum; einen zweiten Stapel (60), der neben dem ersten Stapel (50) liegt und Folgendes umfasst: zweite Einheitszellen (62), die entlang der ersten Stapelrichtung der ersten Einheitszellen (52) gestapelt sind; und eine zweite äußere Umfangsfläche (611, 612, 613, 614) um eine zweite Stapelrichtung der zweiten Einheitszellen (62) herum; ein externes Gassammelrohr (10, 20, 10A, 20A), das dem ersten und zweiten Stapel (50, 60) ein Reaktionsgas zuführt und aus denselben ablässt; und ein externes Kühlmittelsammelrohr (30), das dem ersten und zweiten Stapel ein Kühlmittel zuführt und aus denselben ablässt (50, 60), wobei das externe Gassammelrohr (10, 20, 10A, 20A) und das externe Kühlmittelsammelrohr (30) mit mindestens einem Teil der ersten äußeren Umfangsfläche (514) und mindestens einem Teil der zweiten äußeren Umfangsfläche (613) verbunden sind und sich entlang einer Kreuzungsrichtung erstrecken, die die erste Stapelrichtung kreuzt.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach Anspruch 1, wobei das externe Gassammelrohr (1 0, 20, 10A, 20A) ein erstes und ein zweites externes Gassammelrohr (10, 20, 10A, 20A) umfasst, die den ersten und den zweiten Stapel (50, 60) in einer Richtung, die die erste Stapelrichtung kreuzt, und in einer Richtung, in der der erste und der zweite Stapel (50, 60) nebeneinanderliegen, sandwichartig zwischen sich aufnehmen.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das externe Kühlmittelsammelrohr (30) Folgendes umfasst: einen Kühlmittelzufuhrabschnitt (32), der das Kühlmittel dem ersten und dem zweiten Stapel (50, 60) zuführt; und einen Kühlmittelablassabschnitt (36), der das Kühlmittel von dem ersten und dem zweiten Stapel (50, 60) ablässt, und der Kühlmittelzufuhrabschnitt (32) und der Kühlmittelablassabschnitt (36) den ersten und den zweiten Stapel (50, 60) in einer Richtung sandwichartig zwischen sich aufnehmen, in der der erste und der zweite Stapel (50, 60) nebeneinanderliegen.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten und die zweiten äußeren Umfangsflächen (511, 512, 513, 514, 611, 612, 613, 614) jeweils erste und zweite zugewandte Regionen (514, 613) umfassen, die einander zugewandt sind, das externe Gassammelrohr (10, 20, 10A, 20A) und das externe Kühlmittelsammelrohr (30) mit mindestens anderen Regionen der ersten und zweiten äußeren Umfangsflächen (511, 512, 513, 611, 612, 614) außer der ersten und zweiten zugewandten Region (514, 613) verbunden sind, der Brennstoffzellenstapel (1, 1A) ein Kühlmittelleitungselement (80) umfasst, und das Kühlmittelleitungselement (80) die ersten und zweiten zugewandten Regionen (514, 613) voneinander elektrisch isoliert, die ersten und zweiten zugewandten Regionen (514, 613) miteinander verbindet und das Kühlmittel, das aus dem ersten oder dem zweiten Stapel (50) abgelassen wird, an den anderen des ersten und zweiten Stapels (60) leitet.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste und der zweite Stapel (50, 60) jeweils erste und zweite Kühlmitteldurchflussrinnen (58a, 58c, 68a, 68c) umfasst, durch die das Kühlmittel fließt, und die ersten und zweiten Kühlmitteldurchflussrinnen (58a, 58c, 68a, 68c) sich in einer Richtung erstrecken, in der der erste und der zweite Stapel (50, 60) nebeneinanderliegen.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das externe Gassammelrohr (10, 20, 10A, 20A) einen Reaktionsgasleitungsabschnitt (14, 24, 14A, 24A) umfasst, der das Reaktionsgas, das aus dem ersten oder dem zweiten Stapel (50) abgelassen wurde, zu dem anderen des ersten und zweiten Stapels (60) leitet.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach Anspruch 6, wobei der Reaktionsgasleitungsabschnitt (14, 24, 14A, 24A) veranlasst, dass das Reaktionsgas zusammenströmt, das aus den Auslässen (57ao, 57ci) von Reaktionsgasdurchflussrinnen (57a, 57c) abgelassen wird, die in dem ersten oder dem zweiten Stapel (50) ausgebildet sind, und das Reaktionsgas an Einlässe (67ai, 67ci) von Reaktionsgasdurchflussrinnen (67a, 67c) leitet, die in dem anderen des ersten und zweiten Stapels (60) ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Reaktionsgas ein Anodengas und ein Kathodengas umfasst, das externe Gassammelrohr (10, 20, 10A, 20A) einen Anodengasdurchlassabschnitt (12, 16, 24) und einen Kathodengasdurchlassabschnitt (14, 22, 26) umfasst, durch die jeweils das Anodengas und das Kathodengas strömen, und der Anodengasdurchlassabschnitt (12, 16, 24) und der Kathodengasdurchlassabschnitt (14, 22, 26) als einzelnes Bauteil (10, 20) ausgebildet sind und voneinander getrennt sind.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach Anspruch 8, wobei der Anodengasdurchlassabschnitt (12) das Anodengas dem ersten oder dem zweiten Stapel (50) zuführt, der sich auf einer Stromaufwärtsseite des Anodengases befindet, das externe Gassammelrohr (10, 10A) einen Wärmeübertragungsabschnitt (13) umfasst, und der Wärmeübertragungsabschnitt (13) einen Wärmeaustausch zwischen dem Anodengas, das durch den Anodengasdurchlassabschnitt (12) strömt, und dem Kathodengas, das durch den Kathodengasdurchlassabschnitt (14) strömt, fördert.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach Anspruch 8, wobei der Kathodengasdurchlassabschnitt (22) das Kathodengas dem ersten oder dem zweiten Stapel (50) zuführt, der sich auf einer Stromaufwärtsseite des Kathodengases befindet, das externe Gassammelrohr (20, 20A) einen Wärmeübertragungsabschnitt (23) umfasst, und der Wärmeübertragungsabschnitt (23) einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas, das durch den Kathodengasdurchlassabschnitt (22) strömt, und dem Anodengas, das durch den Anodengasdurchlassabschnitt (24) strömt, fördert.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste und die zweite Einheitszelle (52, 62), die zueinander in einer Richtung benachbart sind, in der der erste und der zweite Stapel (50, 60) nebeneinanderliegen, eine gemeinsame Elektrolytmembran (53) umfassen.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach Anspruch 11, wobei die erste Einheitszelle (52) eine erste Anodenkatalysatorschicht (54a) und eine erste Kathodenkatalysatorschicht (54c) umfasst, die zweite Einheitszelle (62) eine zweite Anodenkatalysatorschicht (64a) und eine zweite Kathodenkatalysatorschicht (64c) umfasst, die erste Anodenkatalysatorschicht (54a) und die zweite Kathodenkatalysatorschicht (64c) voneinander beabstandet sind, und auf einer Oberfläche der gemeinsamen Elektrolytmembran (53) ausgebildet sind, und die zweite Anodenkatalysatorschicht (64a) und die erste Kathodenkatalysatorschicht (54c) voneinander beabstandet sind, und auf der anderen Oberfläche der gemeinsamen Elektrolytmembran (53) ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kreuzungsrichtung eine Richtung ist, in der der erste und der zweite Stapel (50, 60) nebeneinanderliegen.