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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
(engl. Abk. PEFC).
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Eine
PEFC-Vorrichtung enthält
einzelne Brennstoffzellen mit jeweils einem Membran-Elektroden-Aufbau
(MEA) und einem Separator. Der MEA umfasst eine Elektrolytmembran
und ein Paar an entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran angeordneter
Elektroden. Das Elektrodenpaar umfasst eine auf der einen Seite
der Membran vorgesehene und aus einer ersten Katalysatorschicht
aufgebaute Anode und eine auf der anderen Seite der Membran vorgesehene
und aus einer zweiten Katalysatorschicht aufgebaute Kathode. Zwischen
der ersten Katalysatorschicht und einem ersten Separator kann sich
eine erste Diffusionsschicht und zwischen der zweiten Katalysatorschicht
und einem zweiten Separator eine zweite Diffusionsschicht befinden. In
dem ersten Separator ist ein Durchgang ausgebildet, um der Anode
Brennstoffgas (Wasserstoff) zuzuführen, und in dem zweiten Separator
ein Durchgang, um der Kathode ein Oxidationsgas (Sauerstoff, gewöhnlich Luft)
zuzuführen.
Mehrere Brennstoffzellen werden übereinander
geschichtet, um ein Modul aufzubauen. Eine Reihe von Modulen wird übereinander
gestapelt, und an den entgegengesetzten Enden des Modulstapels werden
elektrische Anschlüsse,
elektrische Isolatoren und Endplatten angeordnet, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden. Nachdem der Brennstoffzellenstapel zwischen den entgegengesetzten
Endplatten in Brennstoffzellenstapelrichtung festgezogen worden
ist, werden die Endplatten über
senkrecht zur Brennstoffzellenstapelrichtung verlaufende Schrauben
mit einem außerhalb
des Brennstoffzellenstapels in Brennstoffzellenstapelrichtung verlaufenden
Befestigungselement (z. B. eine Spannplatte) gekoppelt.
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In
der PEFC wird an der Anode Wasserstoff in positiv geladene Wasserstoffionen
(d. h. Protonen) und Elektronen umgewandelt. Die Wasserstoffionen
bewegen sich durch den Elektrolyt zur Kathode, wo sie mit zugeführtem Sauerstoff
und Elektronen (die an der Anode des benachbarten MEA gebildet werden
und sich durch einen Separator zu der Kathode des gegenwärtigen MEA
bewegen) reagieren, um wie folgt Wasser auszubilden:
| An
der Anode: | H2 → 2H+ + 2e– |
| An
der Kathode: | 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O |
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Um
die Brennstoffzellen zu kühlen,
deren Temperatur durch die bei der Wassererzeugungsreaktion entstehende
Wärme und
die Joulesche Wärme
steigt, ist an jeder Zelle oder an jedem Modul ein Kühlwasserdurchgang
ausgebildet und wird in dem Kühlwasserdurchgang
Kühlwasser
strömen
gelassen.
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Wenn
die Länge
des Reaktionsgasdurchgangs kurz ist, ist die Gasströmungsgeschwindigkeit,
die erforderlich ist, um eine benötigte Menge Gas über eine
vorbestimmte MEA-Querschnittsfläche strömen zu lassen,
gering, sodass die Gasdiffusion zur Elektrode langsam verläuft, was
zu einer geringeren Brennstoffzellennutzleistung führt. Außerdem ist
es bei geringer Gasgeschwindigkeit unwahrscheinlich, dass durch
die Gasströmung
das Produktwasser zum Auslass des Gasdurchgangs transportiert wird,
sodass das Produktwasser dazu neigt, in dem Gasdurchgang zurück zu bleiben
und den Gasdurchgang zu versperren.
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Um
die Länge
des Reaktionsgasdurchgangs zu verlängern, um dadurch die Leistung
der Brennstoffzelle zu erhöhen
und das Zurückbleiben
des Produktwassers zu unterdrücken,
wird der Gasdurchgang üblicherweise
als Schlangenlinie ausgeführt.
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Die
JP 2000-228207 A offenbart
einen Metallseparator mit einem solchen schlangenförmigen Gasdurchgang.
Der Separator umfasst zwei Außenplatten
und eine zwischen den beiden Außenplatten
angeordnete Mittelplatte. An der Außenfläche jeder Außenplatte
ist ein schlangenförmiger
Gasdurchgang ausgebildet. Zwischen der Außenplatte und der Mittelplatte
befindet sich ein Kühlwasserdurchgang,
dessen Schlangenform dem schlangenförmigen Aufbau des Gasdurchgangs
entspricht. Der Kühlwasserdurchgang
ist daher genauso lang wie der Gasdurchgang.
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Dieser
herkömmliche
Metallseparator ist allerdings mit den folgenden Problemen verbunden:
Zum
einen ist durch den schlangenförmigen
und langen Kühlwasserdurchgang
die Temperatur des Kühlwassers
nahe dem Auslass des Kühlwasserdurchgangs
recht hoch, sodass die Kühlung
der Brennstoffzelle nicht effektiv ist.
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Zum
andern ist durch den schlangenförmigen
Kühlwasserdurchgang
der Druckverlust am Kühlwasserdurchgang
groß.
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Schließlich würde der
Kühlwasserdurchgang,
wenn lediglich der Gasdurchgang schlangenförmig ausgeführt wird und der Kühlwasserdurchgang
gerade ausgeführt
wird, von der Wand eines U-förmigen
Wendeabschnitts des Gasdurchgangs versperrt werden. Der Kühlwasserdurchgang
kann daher nicht gerade gestaltet werden.
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Darüber hinaus
wird auf die nachveröffentlichte
DE 100 15 360 A1 verwiesen.
Diese offenbart eine Separatoreinheit für Brennstoffzellen, die aus
zwei geprägten
Platten besteht, deren eine Fläche
jeweils eine positive Kanalstruktur und deren andere Fläche eine
korrespondierende negative Kanalstruktur aufweist und bei der sich
durch Verbinden beider Platten ein gerade verlaufendes, platteninneres
Kanalsystem für
ein Kühlmittel und
an den Außenflächen jeder
Platte ein schlangenförmig
verlaufendes Kanalsystem für
ein Reaktionsgas ergibt. Die beiden Reaktionsgase werden über Öffnungen
zugeführt,
die sich auf der gleichen Seite der Separatoreinheit befinden, damit
sie parallel zueinander durch die Gasströmungsfelder der Separatoreinheit
strömen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zur Verfügung zu
stellen, mit dem sich die Kühleffizienz
der Brennstoffzelle steigern lässt, während gute
Leistungskennwerte beibehalten werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die
Unteransprüche
enthalten Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die anhand der beigefügten Zeichnungen erfolgt. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine PEFC-Vorrichtung, die mit einem Separator versehen
ist;
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2 eine
Querschnittansicht eines Membran-Elektroden-Aufbaus (MEA) der mit dem Separator
versehenen Brennstoffzelle;
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3 eine
auseinander gezogene Perspektivansicht der mit dem Separator versehenen
Brennstoffzelle;
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4 eine
Draufsicht auf einen Separator, der bei einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingesetzt wird;
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5 eine
schematische Ansicht eines Gasdurchgangs, der in dem beim ersten
Ausführungsbeispiel eingesetzten
Separator ausgebildet ist und als durchgehende Linie dargestellt
ist;
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6 eine
Querschnittsansicht der mit dem Separator versehenen Brennstoffzelle,
die den baulichen Zusammenhang zwischen einem Brennstoffgasdurchgang
und einem Oxidationsgasdurchgang darstellt (entspricht dem Querschnitt
entlang der Linie A-A in 5 und 8);
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7 eine
Querschnittsansicht der mit dem Separator versehenen Brennstoffzelle,
die den baulichen Zusammenhang zwischen einem zwischen den Brennstoffgasdurchgängen ausgebildeten
Kühlmitteldurchgang
und einem zwischen den Oxidationsgasdurchgängen ausgebildeten Kühlmitteldurchgang
darstellt (entspricht dem Querschnitt entlang der Linie B-B in 5 und 8);
und
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8 eine
schematische Ansicht eines Gasdurchgangs, der in einem bei einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingesetzten Separator ausgebildet ist und als durchgehende
Linie dargestellt ist.
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Die 1 bis 7 stellen
ein bei einem ersten Ausführungsbeispiel
eingesetzten Brennstoffzellenseparator dar, und 8 stellt
ein bei einem zweiten Ausführungsbeispiel
eingesetzten Separator dar. Die Abschnitte, die bei dem ersten und
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen,
sind mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 7 werden
zunächst
die Abschnitte beschrieben, die beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen.
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Die
Brennstoffzelle 10, in die der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzte Separator eingebaut ist, entspricht einer Brennstoffzelle
der Polymer-Elektrolyt-Bauweise
(im Folgenden PEFC). Die Brennstoffzelle 10 wird zum Beispiel
in ein Kraftfahrzeug eingebaut. Allerdings kann die Brennstoffzelle 10 auch
eine andere Verwendung finden.
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Wie
in den 1 bis 3 dargestellt ist, enthält die PEFC 10 einen
Stapel einzelner Brennstoffzellen 23 mit jeweils einem
Membran-Elektroden-Aufbau (MEA) und einem Separator 18.
Der MEA umfasst eine Elektrolytmembran 11 und ein Paar
an entgegengesetzten Seiten der Membran 11 angeordneter
Elektroden. Das Paar Elektroden umfasst (a) eine auf einer Seite
der Membran vorgesehene und eine erste Katalysatorschicht 12 enthaltende
Anode 14 und (b) eine auf der anderen Seite der Membran
vorgesehene und eine zweite Katalysatorschicht 15 enthaltende
Kathode 17. Zwischen der ersten Katalysatorschicht 12 und
einem an der Anodenseite des MEA vorgesehenen Separators 18A kann
sich eine erste Diffusionsschicht 13 und zwischen der zweiten
Katalysator schicht 15 und einem an der Kathodenseite des
MEA vorgesehen Separator 18B eine zweite Diffusionsschicht 16 befinden.
Die erste Diffusionsschicht 13 und die zweite Diffusionsschicht 16 können als
ein Teil des MEA angesehen werden. Wie in 6 gezeigt
ist, enthält
der Separator 18A an einer ersten, dem MEA gegenüber liegenden
Fläche
einen Brennstoffgasdurchgang 27 (für Wasserstoff) und an einer zweiten,
entgegengesetzten Fläche
einen Kühlmitteldurchgang 26 (für Kühlwasser).
Der Separator 18B enthält
an einer ersten, dem MEA gegenüber
liegenden Seite einen Oxidationsgasdurchgang 28 (für Sauerstoff, gewöhnlich Luft)
und an einer zweiten, entgegengesetzten Seite einen Kühlmitteldurchgang 26 (für Kühlwasser).
Der Kühlmitteldurchgang 26 ist
in jeder Brennstoffzelle oder jedem Modul vorgesehen. Wie in 1 zu erkennen
ist, bildet mindestens eine Brennstoffzelle ein Modul 19,
wobei eine Reihe von Modulen aufeinander gestapelt ist und an entgegengesetzten
Enden des Modulstapels elektrische Anschlüsse 20, elektrische
Isolatoren 21 und Endplatten 22 angeordnet sind,
um den Stapel Brennstoffzellen 23 zu bilden. Nachdem der
Stapel Brennstoffzellen 23 zwischen den Endplatten 22 in
Brennstoffzellenstapelrichtung festgezogen worden ist, werden die
Endplatten 22 durch Schrauben 25 bzw. Muttern
mit dem außerhalb
des Brennstoffzellenstapels in Brennstoffzellenstapelrichtung verlaufenden
Befestigungselement 24 (z. B. einer Spannplatte) gekoppelt.
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Wie
in 3 gezeigt ist, weist der Separator 18 der
Brennstoffzelle Metallseparatoren 18A und 18B und
Kunstharzrahmen 18C und 18D auf. Die Kunstharzrahmen 18C und 18D weisen
in ihrem mittleren Abschnitt ein Loch (gelochten Abschnitt) auf.
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Wenn
der MEA und der Separator 18 übereinander geschichtet werden,
werden der Kunstharzrahmen 18C zwischen dem Metall separator 18A und
dem MEA und der Kunstharzrahmen 18D zwischen dem Metallseparator 18B und
dem MEA angeordnet. Dadurch ergibt sich in dem Abschnitt der Kunstharzrahmen 18C und 18D,
in dem das Rahmenmaterial vorhanden ist, die Aufschichtungsreihenfolge
Metallseparator 18A, Kunstharzrahmen 18C, MEA,
Kunstharzrahmen 18D und Metallseparator 18B. Da
die Kunstharzrahmen 18C und 18D im zentralen Abschnitt
ein Loch aufweisen, wird der MEA an dem Lochabschnitt der Kunstharzrahmen 18C und 18D von
beiden Seiten von den Metallseparatoren 18A und 18B bedeckt.
Der Abschnitt des MEA, in dem der MEA mit den Diffusionsschichten
auf seinen entgegengesetzten Seiten direkt von den Metallseparatoren 18A und 18B bedeckt
wird, bildet den Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle, wobei
der dem Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle entsprechende
Abschnitt des Separators 18 im Folgenden als der dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechende Abschnitt des Separators 18 bezeichnet wird.
Der Separator 18 weist Gegenabschnitte 30 und 31 auf,
die sich an den entgegengesetzten Seiten des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts befinden.
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Die
Katalysatorschichten 12 und 15 enthalten Platin
(Pt), Kohlenstoff (C) und einen Elektrolyt. Die Diffusionsschichten 13 und 16 enthalten
Kohlenstoff (C) und sind gasdurchlässig.
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Die
Separatoren 18A und 18B bestehen aus Metall und
sind gasundurchlässig.
Die Metallseparatoren 18A und 18B sind aus einer
Metallplatte (z. B. einer Platte aus rostfreiem Stahl) aufgebaut,
die mit einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit
(z. B. Nickel) überzogen
ist.
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Der
Separator 18 trennt Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) und
Oxidationsgas (z. B. Luft), Brennstoffgas und Kühlmittel (z. B. Kühlwasser)
oder Oxidationsgas und Kühlmittel,
wobei die Metallseparatoren 18A und 18B einen
Durchgang für
elektrischen Strom bilden, durch den sich Elektronen von der Anode
einer Brennstoffzelle zur Kathode der benachbarten Brennstoffzelle
bewegen.
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Der
Metallseparator 18A und der Kunstharzrahmen 18C trennen
Brennstoffgas und Kühlwasser
und der Metallseparator 18B und der Kunstharzrahmen 18D Oxidationsgas
und Kühlwasser
voneinander.
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An
einer ersten, dem MEA gegenüber
liegenden Fläche
des dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts des Metallseparators 18A ist
in dem Separator ein Brennstoffgasdurchgang 27 und an einer
zweiten, entgegengesetzten Fläche
des dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts des Metallseparators 18A ist
in dem Separator ein Kühlmitteldurchgang
(Kühlwasserdurchgang) 26 ausgebildet. Auf ähnliche
Weise ist an einer ersten, dem MEA gegenüber liegenden Fläche des
dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts des Metallseparators 18B in
dem Separator ein Oxidationsgasdurchgang (Luftdurchgang) 28 und
an einer zweiten, entgegengesetzten Fläche des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts des Metallseparators 18B in dem
Separator ein Kühlmitteldurchgang
(Kühlwasserdurchgang) 26 ausgebildet.
Die konvexe und konkave Form der Gasdurchgänge 27 und 28 wird
durch Prägen des
Separators erreicht.
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In
dem Separator ist mindestens ein Brennstoffgasdurchgang 27 und
mindestens ein Oxidationsgasdurchgang 28 vorgesehen. Die
Zeichnungen zeigen mehrere zueinander parallele Brennstoffgasdurchgänge 27 und
mehrere zueinander parallele Oxidationsgasdurchgänge 28.
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Die
Gasdurchlässe 27, 28 erstrecken
sich jeweils zwischen den Gegenabschnitten 30 und 31,
indem sie mindestens zweimal eine U-förmige Wende beschreiben, und
weisen eine ungerade Anzahl gerade verlaufender, zueinander paralleler
Abschnitte und eine gerade, der ungeraden Anzahl minus eins entsprechende Anzahl
U-förmiger
Wendeabschnitte auf.
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Wie
im Einzelnen in 5 dargestellt ist, erstreckt
sich der Brennstoffgasdurchgang 27 zwischen den Gegenabschnitten 30 und 31,
indem er mindestens zweimal eine U-förmige Wende beschreibt, wobei
er eine ungerade Anzahl gerade verlaufender, zueinander paralleler
Abschnitte 27a und eine gerade, der ungeraden Anzahl minus
eins entsprechende Anzahl U-förmiger
Wendeabschnitte 27b aufweist. Auf ähnliche Weise erstreckt sich
der Oxidationsgasdurchgang 28 zwischen den Gegenabschnitten 30 und 31,
indem er mindestens zweimal eine U-förmige Wende beschreibt, wobei
er eine ungerade Anzahl gerade verlaufender, zueinander paralleler
Abschnitte 28a und eine gerade, der ungeraden Anzahl minus
eins entsprechende Anzahl U-förmiger
Wendeabschnitte 28b aufweist.
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7 zeigt,
dass sich der an der zweiten, entgegengesetzten Fläche des
Separators ausgebildete Kühlmitteldurchgang
(Kühlwasserdurchgang) 26 ohne
U-förmige
Wenden gerade zwischen den Gegenfläche 30 und 31 erstreckt.
Der Kühlmitteldurchgang 26 hat
keinen U-förmigen
Wendeabschnitt.
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Der
in dem Metallseparator 18A der beiden den MEA bedeckenden
Metallseparatoren 18A und 18B ausgebildete Gasdurchgang
ist der Brennstoffgasdurchgang 27, und der in dem anderen
Metallseparator 18B der beiden den MEA bedeckenden Metallseparatoren 18A und 18B ausgebildete
Gasdurchgang ist der Oxidationsgasdurchgang 28.
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5 veranschaulicht
die Lagebeziehung zwischen dem Brennstoffgasdurchgang 27 und
dem Oxidationsgasdurchgang 28. In 5 ist der
Brennstoffgasdurchgang 27 und der Oxidationsgasdurchgang 28 jeweils
als eine einzelne durchgehende Linie dargestellt.
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Wie
sich aus den 5 und 6 ergibt,
stimmen die Lage des gerade verlaufenden Abschnitts 27a des
auf der einen Seite des MEA gelegenen Brennstoffgasdurchgangs 27 und
die Lage des gerade verlaufenden Abschnitts 28a des auf
der anderen Seite des MEA gelegenen Oxidationsgasdurchgangs 28 jeweils
miteinander überein,
wobei die Gasdurchgänge
durch den MEA getrennt werden.
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Wie
sich aus den 5 und 7 ergibt,
sind der U-förmige
Wendeabschnitt 27b des Brennstoffgasdurchgangs 27 und
der U-förmige
Wendeabschnitt 28b des Oxidationsgasdurchgangs 28,
der sich aus der die Gegenabschnitte 30 und 31 verbindenden
Richtung betrachtet auf der gleichen Seite des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts befindet wie der U-förmige Wendeabschnitt 27b des
Brennstoffgasdurchgangs 27, voneinander senkrecht zu den
gerade verlaufenden Abschnitten 27a und 28a der
Gasdurchgänge 27, 28 um
die Länge
genau eines Abstands zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der
Gasdurchgänge 27, 28 versetzt.
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Auf ähnliche
Weise sind der U-förmige
Wendeabschnitt 28b des Oxidationsgasdurchgangs 28 und
der U-förmige
Wendeabschnitt 27b des Brennstoffgasdurchgangs 27,
der sich aus der die Gegenabschnitte 30 und 31 verbindenden
Richtung betrachtet auf der gleichen Seite des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts befindet wie der U-förmige
Wendeabschnitt 28b des Oxidationsgasdurchgangs 28, voneinander
senkrecht zu den gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der
Gasdurchgänge 27, 28 um
die Länge
genau eines Abstands zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der
Gasdurchgänge 27, 28 versetzt.
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Der
in dem Separator 18 einer Brennstoffzelle ausgebildete
Kühlmitteldurchgang 26 und
der in dem Separator 18 der benachbarten Brennstoffzelle
ausgebildete Kühlmitteldurchgang 26 bilden
daher insoweit eine Einheit, als dass dort, wo einer der Kühlmitteldurchgänge 26 der
einen Brennstoffzelle und der benachbarten Brennstoffzelle durch
einen der U-förmigen
Wendeabschnitte des Gasdurchgangs versperrt wird, der andere der
Kühlmitteldurchgänge 26 der
einen Brennstoffzelle und der benachbarten Brennstoffzelle offen
ist, sodass er den Kühlmittelstrom
hindurch lässt.
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Ein
in dem dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt des
Separators 18 ausgebildeter Einlass 27c in den
Brennstoffgasdurchgang 27 und ein in dem dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitt des Separators 18 ausgebildeter
Auslass 27d aus dem Brennstoffgasdurchgang 27 befinden
sich an entgegengesetzten Seiten des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts des Separators 18. Auf vergleichbare
Weise befinden sich ein in dem dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden
Abschnitt des Separators 18 ausgebildeter Einlass 28c in
den Oxidationsgasdurchgang 28 und ein in dem dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitt des Separators 18 ausgebildeter
Auslass 28d aus dem Oxidationsgasdurchgang 28 an
entgegengesetzten Seiten des dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden
Abschnitts des Separators 18.
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Der
Einlass 27c in den Brennstoffgasdurchgang 27 und
der Einlass 28c in den Oxidationsgasdurchgang 28 befinden
sich auf entgegengesetzten Seiten des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts.
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Wie
aus den 3 und 4 hervorgeht,
sind in den Abschnitten der Metallseparatoren 18A und 18B und
der Kunstharzrahmen 18C und 18D, die den auf entgegengesetzten
Seiten des dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts
des Separators 18 gelegenen Gegenabschnitten 30 und 31 entsprechen, ein
Kühlmittelverteiler 32,
ein Brennstoffgasverteiler 33 und ein Oxidationsgasverteiler 34 ausgebildet.
In dem Gegenabschnitt 30 sind ein einlassseitiger Kühlmittelverteiler 32a,
ein auslassseitiger Brennstoffgasverteiler 33b und ein
einlassseitiger Oxidationsgasverteiler 34a ausgebildet,
und in dem anderen Gegenabschnitt 31 sind ein auslassseitiger
Kühlmittelverteiler 32b,
ein einlassseitiger Brennstoffgasverteiler 33a und ein
auslassseitiger Oxidationsgasverteiler 34b ausgebildet.
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Zwischen
dem einlassseitigen Gasverteiler und dem entsprechenden in dem dem
Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt ausgebildeten
Gasdurchgang befindet sich ein Strömungseinstellabschnitt 35,
um das Strömungsmuster über die
Verteilerlänge
auf die gesamte Breite des dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden
Abschnitts aufzuweiten. Auf vergleichbare Weise befindet sich zwischen
dem ausgangsseitigen Gasverteiler und dem entsprechenden in dem
dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt ausgebildeten
Gasdurchgang ein Strömungseinstellabschnitt 36,
um das Strömungsmuster über die
gesamte Breite des dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitts
auf die Verteilerlänge zu
verkleinern. Dabei sind der Kühlmittelströmungsbereich,
der Brennstoffgasströmungsbereich
und der Oxidationsgasströmungsbereich
voneinander abgedichtet.
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Es
werden nun die aufgrund des bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
gleichen oder ähnlichen
Aufbaus bedingten Wirkungen erläutert.
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Da
der Brennstoffgasdurchgang 27 und der Oxidationsgasdurchgang 28 zwischen
den Gegenabschnitten 30 und 31 mindestes zweimal
eine U-förmige
Wende beschreiben, während
sie sich zwischen den Gegenabschnitten 30 und 31 erstrecken,
ist die Länge
der Gasdurchgänge 27 und 28 länger als
die von Gasdurchgängen,
die gerade, d. h. ohne U-förmige Wende
verlaufen würden.
Im Vergleich zu dem Fall, dass der Gasdurchgang keinen U-förmigen Wendeabschnitt
hat, nimmt daher bei der Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit des Gases
zu, wenn dem MEA die gleiche Gasmenge zugeführt wird. Dadurch steigt die
Nutzleistung der Brennstoffzelle und ist es unwahrscheinlich, dass
das Produktwasser in den Gasdurchlässen 27, 28 zurückbleibt.
Da außerdem
der Kühlmitteldurchgang
(Kühlwasserdurchgang) 26 zwischen
dem Gegenabschnitt 30 und 31 des Separaturs 18 gerade
verläuft
und keinen U-förmigen
Wendeabschnitt hat, ist die Länge des
Kühlmitteldurchgangs
kürzer
als die der Gasdurchlässe 27, 28.
Deswegen ist der Temperaturanstieg des Kühlmittels verhältnismäßig gering,
sodass die Brennstoffzelle effizient gekühlt werden kann. Durch die
kurze Länge
des Kühlmitteldurchgangs
ist auch der Druckverlust in dem Kühlmitteldurchgang 26 gering.
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Da
der U-förmige
Wendeabschnitt 27b des Brennstoffgasdurchgangs 27 und
der U-förmige
Wendeabschnitt 28b des Oxidationsgasdurchgangs 28 (der
sich aus der die Gegenabschnitte 30 und 31 verbindenden
Richtung betrachtet auf der gleichen Seite des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts befindet wie der U-förmige Wendeabschnitt 27b des
Brennstoffgasdurchgangs 27) voneinander (senkrecht zu den
gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der Gasdurchgänge 27, 28)
um die Länge
genau eines Abstands zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der
Gasdurchgänge 27, 28 versetzt
sind, kann das Kühlmittel
dann an einem Abschnitt, an dem der Kühlmitteldurchgang 26 zwischen
den gerade verlaufenden Abschnitten 27a des Brennstoffgasdurchgangs 27 einer
Brennstoffzelle von dem U-förmigen Wendeabschnitt 27b des
Brennstoffgasdurchgangs 27 der gleichen Brennstoffzelle
geschnitten und versperrt wird, über
den versperrten Abschnitt strömen,
indem es in den Kühlmitteldurchgang 26 zwischen
den gerade verlaufenden Abschnitten 28a des Oxidationsgasdurchgangs 28 der
benachbarten Brennstoffzelle strömt.
Dadurch wird der Kühlmitteldurchgang 26,
der sich als eine Einheit aus dem Kühlmitteldurchgang 26 zwischen den
gerade verlaufenden Abschnitten 27a des Brennstoffgasdurchgangs 27 der
einen Brennstoffzelle und dem Kühlmitteldurchgang 26 zwischen
den gerade verlaufenden Abschnitten 28a des Oxidationsgasdurchgangs 28 der
benachbarten Brennstoffzelle aufbaut, von dem U-förmigen Wendeabschnitt 27b des
Brennstoffgasdurchgangs 27 nicht vollständig versperrt.
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Da
der U-förmige
Wendeabschnitt 28b des Oxidationsgasdurchgangs 28 und
der U-förmige
Wendeabschnitt 27b des Brennstoffgasdurchgangs 27 (der
sich aus der die Gegenabschnitte 30 und 31 verbindenden Richtung
betrachtet auf der gleichen Seite des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts befindet wie der U-förmige Wendeabschnitt 28b des
Oxidationsgasdurchgangs 28) voneinander (senkrecht zu den
gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der Gasdurchgänge 27, 28)
um die Länge
genau eines Abstands zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten 27a, 28a der
Gasdurchgänge 27, 28 versetzt
sind, kann das Kühlmittel
dann an dem Abschnitt, an dem der Kühlmitteldurchgang 26 zwischen
den gerade verlaufenden Abschnitten 28a des Oxidationsgasdurchgangs 28 einer
Brennstoffzelle von dem U-förmigen Wendeabschnitt 28b des
Oxidationsgasdurchgangs 28 der gleichen Brennstoffzelle
geschnitten und versperrt wird, über
den versperrten Abschnitt strömen,
indem es in den Kühlmitteldurchgang 26 zwischen
den gerade verlaufenden Abschnitten 27a des Brennstoffgasdurchgangs 27 der
benachbarten Brennstoffzelle strömt.
Dadurch wird der Kühlmitteldurchgang 26,
der sich als eine Einheit aus dem Kühlmitteldurchgang 26 zwischen den
gerade verlaufenden Abschnitten 28a des Oxidationsgasdurchgangs 28 der
einen Brennstoffzelle und dem Kühlmitteldurchgang 26 zwischen
den gerade verlaufenden Abschnitten 27a des Brennstoffgasdurchgangs 27 der
benachbarten Brennstoffzelle aufbaut, von dem U-förmigen Wendeabschnitt 28b des
Oxidationsgasdurchgangs 28 nicht vollständig versperrt.
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Als
nächstes
werden die für
jedes Ausführungsbeispiel
der Erfindung individuellen Teile beschrieben.
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Wie
in den 3 bis 7 dargestellt ist, sind bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in dem dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden
Abschnitt des Separators 18 mehrere Brennstoffgasdurchgänge ausgebildet.
Die Brennstoffgasdurchgänge 27 weisen
jeweils drei gerade verlaufende Abschnitte 27a und zwei
U-förmige
Wendeabschnitte 27b auf und sind in Form des Buchstaben
S ausgebildet. Die Brennstoffgasdurchgänge 27 mit dem Muster
des Buchstaben S sind jeweils in der gleichen Lage angeordnet und verbinden
die Gegenabschnitte 30 und 31.
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Auf ähnliche
Weise sind in dem dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechende Abschnitt
des Separators 18 mehrere Oxidationsgasdurchgänge ausgebildet.
Die Oxidationsgasdurchgänge 28 weisen
jeweils drei gerade verlaufende Abschnitte 28a und zwei
U-förmige
Wendeabschnitte 28b auf und sind in Form des Buchstaben
S ausgebildet. Die Oxidationsgasdurchgänge 28 mit dem Muster
des Buchstaben S sind jeweils in der gleichen Lage angeordnet und
verbinden die Gegenabschnitte 30 und 31.
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Der
Kühlmittelkanal 26 erstreckt
sich gerade zwischen den Gegenabschnitten 30 und 31 und
hat keinen U-förmigen
Wendeabschnitt.
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Wie
in 8 dargestellt ist, sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in dem dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden
Abschnitt des Separators 18 mehrere Brennstoffgasdurchgänge 27 ausgebildet.
Die Brennstoffgasdurchgänge 27 weisen
fünf oder
mehr gerade verlaufende Abschnitt 27a und vier oder mehr
U-förmige
Wendeabschnitte 27b auf und sind schlangenförmig ausgebildet.
Die Brennstoffgasdurchgänge 27 sind
in der gleichen Lage angeordnet und verbinden die Gegenabschnitte 30 und 31.
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Auf ähnliche
Weise sind in dem dem Stromerzeugungsabschnitt entsprechenden Abschnitt
des Separators 18 mehrere Oxidationsgasdurchgänge 28 ausgebildet.
Die Oxidationsgasdurchgänge 28 weisen
fünf oder
mehr gerade verlaufende Abschnitte 28a und vier oder mehr
U-förmige
Wendeabschnitte 28b auf und sind schlangenförmig ausgebildet.
Die Oxidationsgasdurchgänge 28 sind
in der gleichen Lage angeordnet und verbinden die Gegenabschnitte 30 und 31.
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Der
Kühlmitteldurchgang 26 erstreckt
sich gerade zwischen den Abschnitten 30 und 31 und
hat keinen U-förmigen
Wendeabschnitt.
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Mit
der Erfindung lassen sich die folgenden technischen Vorteile erzielen:
Da
sich zum einen der Gasdurchgang des Separators zwischen den Gegenabschnitten
des Separators erstreckt, indem er mindestens zweimal eine U-förmige Wende
beschreibt, ist die Länge
des Gasdurchgangs größer als
die eines Gasdurchgangs ohne U-förmigen
Wendeabschnitt. Dadurch nimmt die Gasströmungsgeschwindigkeit zu, erhöht sich
die Leistung der Brennstoffzelle und ist es unwahrscheinlich, dass
das Produktwasser in dem Gasdurchgang zurückbleibt. Da sich zum anderen
der Kühlmitteldurchgang
gerade zwischen den Gegenabschnitten erstreckt und keinen U-förmigen Wendeabschnitt
aufweist, ist der Temperaturanstieg des Kühlmittels gering, sodass die
Brennstoffzelle effizient gekühlt
wird. Außerdem
ist der Druckverlust am Kühlmitteldurchgang
gering.
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Des
Weiteren kann das Kühlmittel
dann, wenn der U-förmige
Wendeabschnitt des Brennstoffgasdurchgangs und der U-förmige Wendeabschnitt des Oxidationsdurchgangs,
der sich auf der gleichen Seite des dem Stromerzeugungsabschnitt
entsprechenden Abschnitts befindet wie der U-förmige Wendeabschnitt des Brennstoffgasdurchgangs,
voneinander senkrecht zu den gerade verlaufenden Abschnitten des
Gasdurchgangs um die Länge
genau eines Abstands zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten
des Gasdurchgangs versetzt sind, an einem Abschnitt, an dem der
Kühlmitteldurchgang
zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten des Brennstoffgasdurchgangs
von dem U-förmigen
Wendeabschnitt des Brennstoffgasdurchgangs geschnitten wird, in
den Kühlmitteldurchgang
zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten des Oxidationsgasdurchgangs
des Separators der benachbarten Brennstoffzelle strömen. Dadurch
wird der eine Einheit bildende Kühlmitteldurchgang
aus dem Kühlmitteldurchgang
zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten des Brennstoffgasdurchgangs
und dem Kühlmitteldurchgang
zwischen den gerade verlaufenden Abschnitten des Oxidationsgasdurchgangs
der benachbarten Brennstoffzelle von dem U-förmigen Wendeabschnitt des Brennstoffgasdurchgangs
nicht vollständig
versperrt. Der Gasdurchgang wird daher nicht eng.